BALLE

Aérodynamique balle de golf

golf balle_princincipe_aero

Le rôle de l’air :

Les lois de vol de balles sont tout simplement les lois physiques qui déterminent pourquoi et comment une balle vole dans les airs. Elles peuvent vous dire ce que  fera en termes : de hauteur, la trajectoire, la distance, la direction et la courbure (et plus). Elles sont littéralement le but ultime du golf.

thumbnailgenerator (1)

A la première impression, on pourrait penser qu’une balle de golf lisse aurait plus de chance d’aller loin que celles utilisées actuellement et qui sont recouvertes de petites alvéoles. Et pourtant non, c’est une question de physique!

En effet, imaginez une balle lisse dans les airs. Elle subit alors, outre la gravité, deux forces principales : une force de portance et une force de traînée. La traînée ralentit le mouvement vers l’avant, tandis que la portance agit dans une direction qui lui est perpendiculaire. Avec cette balle sans aspérités, les forces de traînée et de portance agissent mais celles-ci sont seulement modifiées. Alors qu’avec une balle recouverte d’alvéoles, ces forces sont alors créées. L’un des effets de ces alvéoles est la réduction de la traînée. C’est pourquoi la distance de vol des balles texturées est différente de celles des balles lisses.

De plus, les balles recouvertes d’alvéoles prennent mieux le « lift »!

Balles alvéoles 2016

Notes et références :

Tout prit forme en Écosse, lorsque le physicien Peter Guthrie Tait publia, en 1890, Tait était un golfeur amateur passionné et deux de ses sept fils, Frederick Guthrie Tait en (1870-1900) et John Guthrie Tait (1861-1945) devinrent des champions de golf amateur récompensés. Tait lui-même, en 1891, invoqua l’effet Magnus pour expliquer l’influence de la rotation sur la trajectoire d’une balle de golf, une série de feuillets scientifiques démontrant l’effet de l’air sur les distances exceptionnelles des balles de golf. Une balle de golf peut être comparée à une aile, et une aile ne peut voler sans air.

Avec l’aérodynamisme, une balle en virevoltant produit de la portance, permettant une suspension antigravitationnelle, de sorte qu’elle volera plus loin malgré la résistance du vent. Si l’air disparaît, la résistance disparaît, mais aussi la portance.

Autrefois, les balles de golf étaient des poches en cuir remplies de plumes d’oie mouillées. A l’époque, on était certain qu’il fallait obtenir la balle la plus lisse possible pour l’envoyer loin. C’est pourquoi on retournait le cuir pour que les coutures soient à l’intérieur de la balle. Cette dernière était ensuite séchée, huilée et peinte.

Au bout d’un certain temps, les joueurs se sont aperçus que les vieilles balles avec des trous allaient plus loin que les balles neuves. Aucune explication, jusqu’en 1883. Cette année-là, Osborne Reynolds, un ingénieur anglais spécialiste de l’hydrodynamique trouve un nombre qui porte son nom et qui caractérise les écoulements. Et alors ?

Une question d’aérodynamique :

Reprenons au début : lorsque vous lancez une balle, celle-ci est soumise à deux forces de frottement : la friction de l’air à la paroi, là où la balle pénètre l’air, et la dissipation d’énergie dans le sillage de la balle. Or, c’est de ce sillage que dépend l’aérodynamisme. Plus il est fin, et moins la balle sera freinée. Normalement, le sillage est laminaire, c’est-à-dire qu’il contourne la balle en épousant sa forme. Mais au-delà d’un certain seuil, appelé nombre de Reynolds (Re), il devient brusquement turbulent : le sillage « décolle » de la balle, apportant un surplus d’énergie. Grâce à cette énergie, le sillage turbulent reste plus longtemps attaché à la balle, et réduit donc le frottement.

Au-delà d’un certain seuil, le sillage de la balle devient « turbulent ».

vol-balle-de-golf_02Le seuil est plus bas pour une balle alvéolée que pour une balle lisse. Schéma © Cislunar Aerospace, Inc.

CONCEPTION DES ALVÉOLES

Tout comme les balles de golf, la conception des alvéoles a évolué avec le temps. Les fabricants utilisent des technologies de pointe, telles que le calcul numérique en dynamique des fluides (CFD ou Computational Fluid Dynamic), pour optimiser les performances des motifs en alvéoles.On utilise des logiciels de CAO (conception assistée par ordinateur) pour développer les concepts de motifs en alvéoles. Ceux-ci sont ensuite testés à l’aide d’un logiciel de CFD et de matériel de laboratoire, afin de déterminer les propriétés de frottement et de portance.
Le prototypage est également utilisé pour compléter les informations obtenues à l’aide de l’analyse informatique et pour obtenir le motif en alvéoles le plus performant qui soit.

Pour lancer la balle le plus loin possible, il faut donc réduire la valeur du nombre de Reynold. C’est justement le cas des balles alvéolées. Pour une même vitesse, cette dernière « accroche » l’air et subit donc moins de frottements qu’une balle lisse.

Des balles très spéciales…

Plusieurs expériences ont été menées sur les formes des alvéoles. A l’heure actuelle, elles sont rondes, mais d’après les chercheurs, des alvéoles hexagonales réduiraient encore le nombre de Reynolds.

Mais ce n’est pas tout : les balles rugueuses sont meilleures pour les effets liftés (car elles favorisent l’asymétrie de l’écoulement de l’air autour de la balle). Ces derniers, très utiles pour impressionner vos adversaires au tennis ou marquer des coups-francs au foot, sont plutôt indésirables quand vous cherchez à mettre votre petite balle au fond d’un trou.

Certains joueurs ont donc tenté d’inventer des balles lisses avec une simple bande alvéolée au milieu, qui réduit les déviations de la balle. Réponse de la très officielle Association des golfeurs des Etats-Unis (USGA) : cette balle « réduit les compétences nécessaires pour jouer au golf et menace l’intégrité du jeu ». Un nouvel article a donc été ajouté dans le règlement : « la balle doit avoir des propriétés aérodynamiques et une force d’inertie égale dans n’importe quel axe ».

Les forces aérodynamiques agissants sur une balle et une « Aile simple » alignée dans le flot d’air

Ascension et résistance :Lorsque l’on sort la main par la fenêtre à 100 km/h, on constate aisément la force de l’air sur les objets.

portance-et-traineeportance balle oiseau

On divise celle-ci en deux forces: la résistance, cherchant à ralentir l’objet et agissant dans le sens contraire du mouvement; et la portance, qui agit normalement vers le haut et perpendiculairement à la résistance. On constate que la surpression d’intrados et que la dépression d’extrados sont les plus élevées sur le tiers avant du profil. De plus, la dépression est beaucoup plus importante que la surpression (environ deux fois plus forte) : la sustentation est générée essentiellement par l’extrados de l’aile.

Le produit de ces dépressions et surpressions totales par l’aire de la voilure crée la résultante aérodynamique. Celle-ci va s’appliquer en un point de la corde que l’on appelle
centre de poussée, qui se trouve, en général, entre le quart et le tiers avant de la corde.
Elle se décompose en deux forces : la traînée, que l’on notera R x (parallèle à l’écoulement), et la portance que l’on notera Rz (perpendiculaire à l’écoulement)

Origine de l’ascension :

deformation-dune-balleUne balle de golf peut rester suspendue dans les airs pendant une longue durée de et sur une longue distance , comme si elle était retenue par un champ de force. Nous ne pouvons confondre une balle de golf et une aile d’avion de 747, mais en regard de l’air, ce sont deux éléments semblables. Lorsqu’une aile simple est dans un courant d’air et alignée dans le flot d’air, elle coupe l’air sans trop de bruit, et génère peu de portance. Toutefois, si elle est inclinée pour créer un angle d’attaque, alors elle dévie le courant d’air vers le bas, générant une force verticale selon le principe « Égalité de l’action et de la réaction » de Newton.

Une balle de golf peut sembler corpulente comparativement à une aile profilée, mais elle se comporte de la même façon dans un courant d’air. Elle pousse l’air en créant beaucoup de perturbation, sans générer de portance. Mais lorsqu’une balle est tapée elle subit une rotation arrière et tourne sur elle même , ce qui fait dévier l’air vers le bas en générant de la portance telle une aile à angle d’attaque.

Aile simple à angle d’attaque et une Balle sans vrille

Origine de la résistance :

Lorsque l’on déplace un objet dans l’air on observe une résistance. La majorité des objets volants ont un profil aérodynamique naturel ou de conception, leur permettant de couper l’air avec un minimum de résistance. Une balle de golf est destinée à générer beaucoup de résistance ( freiner l’air plutôt que de le couper). L’air frappe la face de la balle, créant une aire de haute pression, et se divise sur les cotés et va trop vite pour réussir à prendre le virage derrière la balle. Elle s’éloigne de la surface, laissant un creux de basse pression comme un bateau le fait avec l’eau. Cette combinaison de haute pression à l’avant et basse pression à l’arrière est la principale cause de résistance de la balle. Lorsque la surface de la balle est couverte d’alvéoles, une fine couche d’air à proximité de la balle devient turbulente. Plutôt que de s’écouler de façon homogène et continue, l’air crée une zone microscopique de turbulence inconstante et aléatoire. Une zone de turbulence peut suit la courbure de la balle, le contour plus longtemps avant de se séparer, créant un plus petit sillon, et moins de résistance. En fait, une balle munie d’alvéoles génère la moitié moins de résistance qu’une balle lisse. En combinant le mouvement de rotation, lequel fait dévier l’air et génère la portance, avec les alvéoles, qui diminuent le sillon et abaissent la résistance, nous obtenons un flux d’air autour de la balle. Lorsqu’une balle de golf est frappée, l’impact, d’une durée inférieure à une milliseconde, détermine la vitesse de la balle, son angle de tir et sa vitesse de rotation, autant de caractéristiques qui influencent sa trajectoire ainsi que son comportement lorsqu’elle retombe sur le sol. Il est bon de noter que la traînée et la portance agissent aussi sur des balles lisses, car ces forces sont seulement modifiées, et non créées, par les alvéoles. Le principal effet de ces dernières est la réduction de la traînée. C’est pourquoi la distance de vol des balles texturées est différente de celles des balles lisses. Une balle en rotation déforme le flux d’air autour d’elle, tout comme le fait une aile d’avion. La rotation vers l’arrière est communiquée lors de presque tous les tirs du fait de l’inclinaison du club (c’est-à-dire l’angle formé par la surface du club et un plan vertical). Une balle tournant vers l’arrière subit une force vers le haut qui la fait « voler » plus longtemps et plus loin qu’une balle sans rotation. Une rotation de côté survient lorsque la face du club n’est pas alignée perpendiculairement à la direction de frappe : la portance conduit alors à une courbure de la trajectoire de la balle vers un côté. Pour que son aérodynamisme soit optimal, la balle doit être propre.

Design alvéolé :

Les balles de golf étaient à l’origine sphériques et sans alvéoles, mais il était notoire pour les joueurs que les balles abîmées avaient une meilleure portée. C’est pourquoi certains essayaient de manière empirique d’y faire des reliefs, jusqu’à ce qu’un certain William Taylor, industriel (il fabrique des lentilles pour le cinéma) et golfeur, décide vers 1930 d’étudier la question de manière systématique à l’aide d’une soufflerie. William Taylor en conclut l’intérêt de faire des alvéoles positionnées régulièrement ; il conçoit alors les outils permettant la fabrication industrielle de balles alvéolées. Il est donc l’auteur du design moderne utilisé de nos jours. La société qu’il a créée en Angleterre existe toujours mais a changé depuis d’activité. Les balles officielles doivent être aussi symétriques que possible. Cette exigence de symétrie est le résultat d’une controverse engendrée par l’arrivée sur le marché de la Polara, à la fin des années 1970. Cette balle présentait six lignes de trou normal à l’équateur mais les dépressions étaient très superficielles sur le reste de la surface. Cette conception asymétrique aidait la balle à ajuster elle-même son axe de rotation durant le vol. L’USGA l’a refusée pour les tournois et, en 1981, a même changé ses règlements pour bannir les balles aérodynamiquement asymétriques. Le fabricant de Polara a poursuivi l’USGA et, en 1985, l’association a réglé le différend à l’amiable en versant 1 375 000 US$ aux concepteurs. Pour en connaître davantage sur les anciens modèles de balles et leurs alvéoles, on consultera la base de données du United States Patent and Trademark Office. La plupart des modèles sont basés sur des solides de Platon comme l’icosaèdre.

     golf-ball-principle physics-ball 340x_balldrag

golf-science-alveoles

Ces illustrations sont tirées du Brevet U.S. 4,560,168. On constate que l’une et l’autre se fabriquent avec un moule en deux pièces ; en effet, il ne se trouve aucun alvéole sur l’équateur (les grands cercles pointillés dont l’un est rouge). Le moule consistera donc en deux hémisphères.

POURQUOI LES BALLES DE GOLF SONT-ELLES ALVEOLEES ?

balle-lisse-et-alveoles

Parce que cela améliore l’aérodynamisme de la balle.

Les alvéoles diminuent la traînée – ou résistance à l’air –, cette force qui s’oppose au mouvement de la balle dans l’air et ralentit sa course”, précise Daniel Huilier, physicien à l’université de Strasbourg.

En effet, en s’introduisant dans ces cavités, l’air va générer des mini-tourbillons.

Alors que la mince couche d’air autour de la surface d’une balle parfaitement lisse est “laminaire”, c’est-à-dire homogène et continue, elle devient ici turbulente, ce qui réduit les forces de frottement.

ALVÉOLÉE, LA BALLE DE GOLF TRANSPERCE L’AIR SANS ÊTRE FREINÉE

Conséquence : pour une même vitesse de drive initiale, une balle alvéolée sera moins freinée en vol qu’une balle lisse, et sa trajectoire sera plus droite sur une plus grande distance.1

Si, au XIIIe siècle, en Hollande, la première balle de golf était lisse, les joueurs se sont vite rendu compte qu’une fois abîmé, leur projectile avait une meilleure portée.

Il a fallu cependant attendre le tout début du XXe siècle pour que l’ingénieur anglais William Taylor étudie scientifiquement, en soufflerie, ces effets des alvéoles sur la trajectoire des balles.

K.B. D’après S&V n°1172 http://www.youtube.com/watch?v=zZsvpw-JOO0
Les alvéoles augmentent un peu la traînée mais accroissent beaucoup la portance (« le lift Magnus », c’est à dire le « déplacement vers le haut Magnus »).

Le lift Magnus existe parce qu’une balle de golf frappée a un mouvement de rotation sur elle-même. Le même effet magnus peut faire tourner la balle à droite ou à gauche s’il y a une rotation de gauche à droite ou vice-verça. Contrairement à ce qu’annonce la physique de bas niveau, les balles de golf n’ont pas pour trajectoire une parabole inversée. Elles suivent une trajectoire d’élan (impetus trajectory): Ceci est dû à la combinaison de la traînée (qui réduit la composante horizontale de la vitesse) et du lift Magnus, qui porte la balle durant la première partie de la trajectoire, la rendant relativement rectiligne. La trajectoire peut même s’incurver tout d’abord vers le haut, cela dépend des conditions !

Une balle de golf quitte le tee avec une vitesse de l’ordre de 70 m/s et un taux de rotation d’au moins 50 tours/seconde. Malgré la trainée, une balle de golf trouée peut même aller plus loin dans l’air que dans le vide avec la même vitesse initiale et le même angle (petit).

Rotation :

Durant toute sa trajectoire, la balle exécute une rotation et les différents facteurs qui entrent en jeu lors de cette rotation proviennent exclusivement des matériaux utilisés, notamment de la qualité de l’enveloppe extérieure. Il n’y a pas de rotation type, la seule chose est que cette dernière a un impact sur la réussite de vos coups. Toutefois, une balle de golf frappée à 45° et 70 m/s dans le vide serait envoyée à 500 mètres au premier rebond, ce qui excède tous les records.

Compression :

Compression et rigidité sont des synonymes pour la balle de golf. En effet lorsque l’on parle d’une balle plus ou moins rigide on fait allusion à son taux de compression.Lorsque l’on frappe la balle, cette dernière est soumise à la pression du club et donc, pendant un court instant, elle se déforme.Le niveau de compression d’une balle se réfère à la rigidité de la balle.En effet, il existe plusieurs niveaux de compression d’une balle : 70, 80, 90 et 100.

Le choix du niveau de compression dépend de la vitesse de votre swing. Pour les joueurs à faible vitesse de swing on conseille des balles plus légères et vice versa.(femmes, enfants, seniors) la compression devrait être de 80 soit une compression faible.Une vitesse de swing rapide nécessite une balle à compression importante soit 100.Avant de poursuivre, présentons les différentes variantes de balles (1, 2, 3 ……… pièces) et à quoi elles correspondent en termes de composition.

RÈGLEMENTS DU GOLF :

Les règles du golf imposent certaines contraintes en matière de performances de balle de golf, afin de garantir la cohérence et l’intégrité du jeu.

Plusieurs règles de golf se rapportant aux clubs conditionnent véritablement ce dont la balle de golf est capable. Ces règles limitent le COR (vitesse de la balle), le moment d’inertie (sidespin et cohérence) et les stries (spin).

DIMENSIONS :

Des limites physiques de base sont imposées pour toutes les balles de golf utilisées durant les tournois, en vue de limiter les performances.

Le diamètre de la balle de golf doit mesurer au minimum 42,67 mm (1,68 pouce).

Son poids maximum ne doit pas dépasser 45,93 g (1,62 once).

La balle de golf doit être symétrique, et ne peut être conçue, fabriquée ou modifiée de sorte que ses propriétés soient différentes selon son orientation.

VITESSE INITIALE :

La vitesse initiale produite par une balle de golf est limitée. Cette règle équivaut à une limite de COR sur les clubs de golf.

Les instances dirigeantes du golf utilisent une machine spéciale pour mesurer la vitesse initiale de chaque balle. Il s’agit d’un grand rouet doté d’une pale ressemblant à un club qui, lorsqu’il est relâché, vient frapper la balle.

La vitesse de la balle de golf est une condition de départ qui joue un rôle important dans la distance. Cette règle de golf vise à limiter la distance.

DISTANCE TOTALE :

Outre la vitesse initiale, les règles du golf limitent la distance totale. Les balles de golf peuvent seulement parcourir une certaine distance selon des critères définis.Auparavant, on mesurait cette limite à l’aide d’un robot et d’un club de série. La technologie s’étant améliorée, le test s’est modernisé et, désormais, une simulation virtuelle permet de reproduire la quasi-totalité du processus.

Source : http://www.leaderboard.com/gloss_b.htm

L’hiver est là et que le froid se déplace dans, nous sommes souvent posé des questions sur la température et de son impact sur les performances de balle de golf.

Donc, nous sommes allés à nos experts en balle de golf R & D pour obtenir un peu plus de perspicacité sur le sujet et ce que nous avons découvert est qu’il y a deux questions distinctes à considérer en ce qui concerne les performances de la température et de balle de golf: la température de l’air et de la température de la balle de golf.

Quand une balle de golf vole dans l’air froid, il perd la distance parce que l’air froid est plus dense que l’air chaud. Les augmentations de l’air plus froid à la fois les forces de portance et de traînée agissant sur la bille, ce qui se traduit par une trajectoire légèrement plus élevée et plus courte. Il n’y a rien un golfeur peut faire à propos de l’effet de la température de l’air, en plus de prendre en compte lors de la planification de la prochaine prise de vue.

La perte de distance peut également résulter de jouer avec des balles de golf froides.Si une balle est trop froide, ses matériaux peuvent perdre une certaine élasticité, résultant en une réduction de la vitesse initiale de la face du club. Gardez à l’esprit, la chaleur excessive peut également avoir un effet.

Pour annuler cet effet, nous vous recommandons de jouer avec des balles de golf à température ambiante, et le stockage de vos balles de golf intérieur à la température ambiante pendant toute l’année. Evitez de laisser vos balles de golf dans des conditions extrêmement froides ou chaudes, à savoir, dans le coffre de votre voiture pendant l’hiver ou l’été. Si vos balles de golf sont exposés à ces conditions, aussi longtemps que vous les laissez revenir à une température normale progressivement, ils vont effectuer la même.

Si vous jouez dans des conditions extrêmement froides, il est aussi une bonne idée de tourner un couple de balles de golf trou par trou, en gardant le oiseuse dans une poche au chaud dans votre veste ou un pantalon.

Le montant exact de la perte de la distance en raison de températures froides est difficile d’Etat en raison d’un grand nombre de variables. Cependant, les autres facteurs qui accompagnent généralement le golf par temps froid (c. muscles froids, portant plusieurs couches, les sols gelés, vent, etc.) pourraient avoir un plus grand impact sur la performance globale d’un golfeur. Pour l’effet de la température de l’air seul, figurer sur une perte de distance d’environ 1,5% par réduction de 20 ° F de la température. Par exemple, pour une journée par rapport à un jour de 70 ° à 50 °, sur un tir de 200 verges vous perdriez environ 3 verges.

Il est également une idée fausse commune que vous devriez passer à une balle de golf de compression plus faible dans des conditions plus froides. Cette pratique a pour but de compenser l’augmentation de la compression qui se produit lorsque la balle est froid. Si vous jouez avec des boules qui sont à proximité de la température ambiante comme nous le proposons, cela devient un point discutable. En outre, les modèles modernes de balle de golf ne sont pas vendus dans un choix de compressions comme ils étaient dans les jours à billes plaies, changeant ainsi la compression nécessiterait le passage à un modèle différent, qui peut avoir des caractéristiques de jeu qui sont différentes de ce que vous êtes habitué.

Et rappelez-vous, si vous changez votre balle de golf, vous changez tous les coups dans votre sac.

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *