סימולציות ממוחשבות מסייעות לחקור את זרימת האוויר סביב הכדור, את העומסים על הנעליים ואת שילוב החיישנים בכדורי המשחק. עם זאת, גם המודל המתקדם ביותר נדרש לעבור אימות בניסויי מעבדה ובמגרש
כדורגל נראה במבט ראשון כמשחק פשוט: שחקנים, כדור, שני שערים ומערכת כללים. אלא שמאחורי הכדור המודרני, נעלי השחקנים ומערכות השיפוט פועלים תחומי הנדסה רבים – מדע החומרים, מכניקה, אווירודינמיקה, אלקטרוניקה, תקשורת אלחוטית ועיבוד נתונים.
חברת דאסו סיסטמס פרסמה לאחרונה הדגמה המציגה כיצד ניתן להשתמש בכלי הסימולציה של SOLIDWORKS כדי לבחון שאלות הנדסיות הקשורות לכדורגל. החברה מתמקדת בשלושה סוגי חישובים: ניתוח העומסים הפועלים על ציוד, הדמיית זרימת האוויר סביב כדור וסימולציה של רכיבים אלקטרומגנטיים וחיישנים.
מדובר בהמחשה של יכולות התוכנה ולא בהודעה על כך שכדור רשמי מסוים או מערכת שיפוט של פיפ"א פותחו באמצעות SOLIDWORKS. ואולם, העקרונות ההנדסיים שמוצגים בה אכן משמשים חוקרים ויצרני ציוד ספורט.
לפני שמייצרים אב טיפוס
אחד הכלים המרכזיים בפיתוח מוצרים הוא ניתוח אלמנטים סופיים, המכונה FEA. בשיטה זו מחלקים מודל ממוחשב של מוצר למספר גדול של אזורים קטנים ומחשבים כיצד כל אחד מהם מגיב לכוחות, ללחץ, למתיחה ולשינויי טמפרטורה.
במקרה של כדורגל ניתן לבדוק כיצד מעטפת הכדור מתעוותת בזמן בעיטה, כיצד הלחץ הפנימי מתחלק לאחר פגיעה ומה קורה באזורי החיבור בין הלוחות המרכיבים את המעטפת. במקרה של נעליים אפשר לבחון את העומסים על הסוליה, את גמישות החומר ואת חלוקת הלחץ על כף הרגל.
הסימולציה אינה מבטלת את הצורך באבות טיפוס ובבדיקות פיזיות. תפקידה הוא לצמצם את מספר הדגמים שיש לייצר, להשוות בין חלופות ולזהות נקודות תורפה עוד לפני שמתחיל הייצור.
הכדור אינו רק כדור חלק
הדרך שבה כדור נע באוויר תלויה לא רק במהירות הבעיטה, אלא גם במבנה פני השטח שלו. מספר הלוחות, צורתם, עומק החריצים ביניהם, החספוס והכיוון שבו הכדור מסתובב משפיעים על שכבת האוויר הצמודה אליו ועל המערבולת שנוצרת מאחוריו.
מחקרים שנערכו במנהרות רוח הראו כי כדורים בעלי צורות שונות של לוחות יכולים להפגין הבדלים בכוחות הגרר והעילוי וביציבות מסלול המעוף. גם הכיוון שבו התפרים פונים ביחס לזרימת האוויר עשוי להשפיע על המסלול.
משמעות הדבר היא ששינוי עיצובי שנראה קטן – למשל הפחתת מספר הלוחות או שינוי עומק החריצים – עלול לשנות את הנקודה שבה זרימת האוויר סביב הכדור הופכת מזרימה מסודרת יחסית לזרימה מערבולתית. המעבר הזה משפיע על התנגדות האוויר ועל מהירות האטת הכדור.
מדוע בעיטה מסובבת מתעקלת?
כאשר שחקן מעניק לכדור סחרור, פני הכדור גוררים עמם חלק משכבת האוויר. בצד אחד של הכדור הסחרור פועל בכיוון זרימת האוויר, ובצד האחר הוא פועל נגדה. כתוצאה מכך משתנים זרימת האוויר וחלוקת הלחצים סביב הכדור ונוצר כוח הפועל בניצב לכיוון התנועה.
התופעה מכונה אפקט מגנוס. היא מסבירה כיצד בעיטה חופשית יכולה להתחיל במסלול שנראה כאילו הוא עובר מחוץ לשער, ולאחר מכן להתעקם פנימה. כיוון הסטייה תלוי בכיוון הסחרור, ואילו עוצמתה מושפעת בין היתר ממהירות הכדור, מקצב הסיבוב ומצפיפות האוויר.
באמצעות דינמיקת זורמים חישובית, או CFD, אפשר לבנות מודל של הכדור ושל האוויר שסביבו, ולבחון כיצד משתנים הגרר, העילוי והמערבולות במהירויות ובקצבי סחרור שונים. ההדמיה מאפשרת לראות תופעות שקשה להבחין בהן בצילום רגיל, אך את תוצאותיה יש להשוות למדידות במנהרת רוח ולבעיטות מבוקרות.
החיישן שבתוך הכדור
הכדורגל המודרני כולל גם רכיבים אלקטרוניים. בכדורים המחוברים למערכות השיפוט מותקן חיישן תנועה אינרציאלי, המסוגל לזהות שינויים בתנועה ואת הרגע שבו שחקן נוגע בכדור.
דוגמה מעשית היא TRIONDA, הכדור הרשמי של גביע העולם בכדורגל 2026. על פי פיפ"א, בכדור משולב חיישן תנועה הפועל בתדירות של 500 הרץ – כלומר אוסף נתונים כ־500 פעמים בשנייה – ומעביר אותם בזמן אמת למערכת שופט הווידאו. הנתונים מסייעים לזהות במדויק את רגע הבעיטה, נתון חשוב במיוחד בבדיקת מצבי נבדל.
טכנולוגיה דומה הופעלה כבר בגביע העולם בקטאר בשנת 2022. המערכת שילבה נתונים מחיישן בכדור עם מצלמות שעקבו אחר הכדור ואחר נקודות שונות בגופם של השחקנים. המערכת אינה מחליפה את השופטים, אלא מספקת לשופטי הווידאו מידע שעליו הם מבססים את ההחלטה הסופית.
שילוב אלקטרוניקה בתוך כדור מציב אתגרים נוספים. יש להגן על החיישן מפני חבטות חוזרות, למנוע ממנו לפגוע באיזון הכדור, לספק לו אנרגיה ולוודא שהאות האלחוטי מגיע למקלטים. סימולציות אלקטרומגנטיות יכולות לסייע בבדיקת מיקום האנטנה, התפשטות האות וההשפעה של החומרים המקיפים את החיישן.
סימולציה איננה המציאות
היכולת לבצע ניסויים וירטואליים חוסכת זמן וחומר ומאפשרת לבחון מצבים רבים שקשה לשחזר בניסוי יחיד. עם זאת, מודל מחשב הוא תמיד קירוב של המציאות. הוא מבוסס על הנחות לגבי תכונות החומרים, תנאי הסביבה, צורת הכדור ואופן הבעיטה.
רוח, גשם, לחות, טמפרטורה וגובה מעל פני הים עשויים להשפיע על מסלול הכדור. גם בעיטות של שחקנים אינן זהות זו לזו. לכן אין די בהדמיה מרשימה על מסך: התכנון צריך לעבור בדיקות מכניות, ניסויים במנהרות רוח ובחינה בתנאי משחק.
הכדורגל לא הפך למשחק שמנוהל בידי מהנדסים, אבל ההנדסה נעשתה חלק בלתי נפרד ממנו. היא נמצאת בחומרים שמהם מיוצר הכדור, בחריצים שעל פניו, בסוליות הנעליים, במצלמות שמעל המגרש ובחיישן הזעיר המסייע לקבוע מתי בדיוק נבעט הכדור.
שאלות ותשובות
מהו אפקט מגנוס? זהו כוח אווירודינמי הפועל על גוף מסתחרר שנע באוויר ויכול לגרום לכדור לסטות ממסלול ישר.
כיצד סימולציה מסייעת בפיתוח כדורגל? היא מאפשרת לבדוק באופן ממוחשב עומסים, עיוותים וזרימת אוויר ולהשוות בין עיצובים לפני ייצור אבות טיפוס.
מה עושה החיישן בכדור חכם? הוא מודד את תנועת הכדור ומסייע לזהות את הרגע המדויק שבו שחקן נוגע בו. נתון זה משמש בין היתר את מערכת הנבדל החצי־אוטומטית.
האם המחשב מחליט אם היה נבדל? לא. המערכת מספקת נתונים והתרעות לשופטי הווידאו, אך ההחלטה מאושרת בידי צוות השיפוט.
