Heb je je ooit vergaapt aan de schitterende vrije trappen met effect van Diego Maradona, Lionel Messi en Christiano Ronaldo? Dan heb je - misschien zonder het zelf te weten - het magnuseffect in actie gezien: het verschijnsel waarbij rondtollende voorwerpen langs gekromde banen bewegen. Zal de voetbal in het doel belanden? Hoewel veel mensen de naam nog nooit gehoord hebben, is het magnuseffect een bekend verschijnsel in ons dagelijks leven. Het zogenaamde ‘afzwaaien’ van de bal is, iedere keer wanneer er een EK of WK is, weer het onderwerp van menig verhitte discussie. Wat centraal staat bij deze discussie is hoe een bal zich gedraagt wanneer deze de schoen van een voetballer verlaat en door de lucht heen vliegt.
Wat is het Magnus Effect?
Het magnuseffect is een natuurkundig verschijnsel dat optreedt wanneer een roterend object zich door een vloeistof of gas (zoals lucht) beweegt. Door de rotatie ontstaat er een drukverschil rondom het object, wat resulteert in een kracht loodrecht op de bewegingsrichting. Deze kracht zorgt ervoor dat het object een afwijkende baan volgt, oftewel een curve beschrijft.
De Geschiedenis Achter het Effect
De Duitse fysicus Heinrich Gustav Magnus heeft het effect beschreven. Hij dacht eigenlijk fout dat het afzwaaien van de bal veroorzaakt werd door de wrijving die er ontstaat tussen de oppervlakte van de bal en de lucht waar deze doorheen klieft. Er is wel degelijk sprake van wrijving tussen de bal en de lucht, maar de kracht die daarbij vrij komt is niet sterk genoeg om een bal zo ver uit zijn baan te trekken dat je om een muur van vijf man heen kan trappen.
Hoe Werkt het Magnus Effect in Voetbal?
In de context van voetbal is het magnuseffect verantwoordelijk voor de curve die een bal kan beschrijven na een trap met effect. Wanneer een speler een bal trapt en daarbij een spin meegeeft, creëert hij een verschil in luchtdruk aan de zijkanten van de bal. De kant waar de bal in de draairichting meebeweegt met de luchtstroom heeft een lagere druk dan de kant waar de bal tegen de luchtstroom indraait. Dit drukverschil duwt de bal in de richting van de lagere druk, waardoor de bal afbuigt van zijn oorspronkelijke traject.
Het Magnus-effect komt voort uit de vervorming van de luchtstroom die veroorzaakt wordt doordat de bal snel rond zijn eigen as draait. Het effect wordt exponentieel versterkt op het moment dat de curve van de bal groter wordt. In de laatste meters die de bal aflegt zwenkt hij daardoor het sterkste af. Dit komt doordat de lucht rond de bal als het ware aan één kant vast blijft kleven. Als de zwaartekracht niet zou ingrijpen, zou de bal in een spiraal belanden.
Lees ook: Passie en Kritiek NAC Breda Ultras
De Rol van Baloppervlak en Textuur
Het oppervlak van de voetbal speelt een cruciale rol in de mate waarin het magnuseffect optreedt. Een ruwer oppervlak, zoals de Brazuca WK-bal met meer uitstekende naden, zorgt voor meer wrijving met de lucht en dus een groter effect. Een gladde bal daarentegen, zoals de Jabulani, ondervindt minder wrijving en is daardoor moeilijker te controleren.
Volgens Bush staan mensen over het algemeen niet stil bij het feit dat het Magnus effect andersom werkt wanneer de bal glad is. “Dezelfde trapbeweging produceert niet een schot of een pass die buigt van rechts naar links, maar van links naar rechts.” Het hangt dus niet altijd af van de capaciteiten van de spelers of ze een afzwaaier maken, soms zijn ze het slachtoffer van een te perfecte bal.
Techniek van de Speler
Natuurlijk is de techniek van de speler cruciaal voor het benutten van het magnuseffect. Spelers als Messi beheersen de kunst om de bal op een specifieke manier te raken, waardoor de gewenste spin en curve worden gecreëerd.
"Wanneer Messi de bal raakt schuift hij zijn heup naar rechts. Bij het bewegen van zijn heupen naar rechts, opent hij zijn linkerbeen om de bal te raken," vertelde Rajpal Brar aan de Squawka-podcast. "En dan verschuift al het gewicht naar de buitenkant van zijn rechtervoet. Dus als hij de bal volledig raakt, gaat het linkerbeen van links naar rechts en blijft hij staan op de buitenkant van zijn enkel. Net zoals wat er gebeurt als je door je enkel gaat. Maar in het geval van Messi trainde hij zichzelf en zijn lichaam om die beweging te beheersen." Truc Messi is in staat om vanuit verschillende hoeken en afstanden te scoren vanuit een vrije trap. In een interview met ESPN vertelde de 32-jarige aanvaller zijn truc om de keepers te verrassen. Uit een rapport bleek dat de aanvaller van Barcelona gebruik maakt van het Magnus-effect. Bij het Magnus-effect is de druk op het onderlichaam groter dan de druk op het bovenlichaam. Daarom krijgt de bal het effect met een curve. Bij het nemen van een vrije trap heeft Messi zijn been een hoek van 50 graden. Hij plaatst bijna zijn hele schoen op de grond voordat hij de bal raakt, dat geeft hem wat meer stabiliteit en controle.
Voorbeelden in het Voetbal
Er zijn verschillende beroemde voorbeelden te noemen waarbij er dankbaar gebruik gemaakt wordt van het effect dat aan de bal gegeven kan worden. Op YouTube kun je video’s vinden van voetballers die door het effect de meest verbazingwekkende doelpunten scoren. In het filmpje hieronder is te zien hoe David Beckham scoort tegen Griekenland in 2011 en Engeland daardoor verzekerde van een plaats in de finale. Een beroemd doelpunt van Roberto Carlos, dat bekend staat als de knapste vrije trap in de geschiedenis van het voetbal, heeft zijn faam te danken aan het effect. De waanzinnige draaiing (en snelheid) die de Braziliaan aan de bal wist te geven, zoals te zien in het filmpje hieronder, veranderde een gênante misser in een historische goal. Het effect zorgt er tevens voor dat een goed uitgevoerde hoekschop het leer toch in de winkelhaak kan afleveren.
Lees ook: Kleding en benodigdheden Uganda
Het Magnus Effect in Andere Sporten
Het magnuseffect beperkt zich niet tot voetbal. Ook (tafel)tennissers maken graag gebruik van luchtweerstand (top- of backspin), en de werper bij honkbal kan erdoor met zijn worp de slagman in de war brengen door een curveball te gooien. Het schijnt zelfs bij het paintballen gebruikt te worden om het bereik van het schot te vergroten!
Experiment om het Magnus Effect aan te tonen
Het Magnuseffect kan je heel eenvoudig thuis aantonen. Stel je rolt een tennisbal van een afhellende tafel. Wanneer deze bal het uiteinde van de tafel bereikt zal deze vallen en hierbij de curve van een parabool volgen. Dit is vrij logisch en heel gemakkelijk aan te nemen. Maar wat zal het traject van dit voorwerp zijn wanneer we de tennisbal vervangen door een papieren cilinder? De cilinder zal van richting veranderen wanneer deze van de helling valt aangezien het papier veel lichter is dan een tennisbal.
Bij een variant van dit experiment wordt diezelfde tafel horizontaal geplaatst en wordt er een elastiek bevestigd aan de tafelrand waarin de cilinder wordt opgerold. Wanneer de elastiek wordt losgelaten zullen er twee bewegingen plaats vinden. De cilinder zal zich door de kracht van de elastiek horizontaal verplaatsen en terwijl roteren aangezien de elastiek rond de cilinder was gewikkeld. Het traject van deze cilinder zal onverwachts wijzigen waardoor deze aanzienlijk zal worden opgeheven (Denk maar aan het traject van een tafeltennisbal). Hier spreken we dan van een tegengestelde rotatie of het omgekeerde Magnuseffect.
Verklaring van het Experiment
Ten eerste is het belangrijk te weten dat dit experiment niet kan worden uitgevoerd op een plaats zonder atmosfeer bijvoorbeeld op een andere planeet of op de maan. Het Magnuseffect kan worden waargenomen wanneer een lichaam roteert in vloeistof of lucht met een hoge viscositeit. Door de viscositeit zullen de deeltjes rond het lichaam roteren. Zowel rotatie als de luchtstroom of stroom van de vloeistof zijn cruciaal voor de waarneming van het Magnuseffect. In dit geval zal er namelijk een verschil zijn tussen de snelheid van de deeltjes die zich zowel boven als onder het lichaam bevinden. Aan die zijde waar de rotatie en stroming dezelfde richting hebben zal de snelheid nog hoger liggen. Door dit verschil zal er een verschil in druk worden veroorzaakt die overeenkomt met de wet van Bernoulli (natuurkundige wetmatigheid die het stromingsgedrag van vloeistoffen en gassen beschrijft, en de drukveranderingen aan hoogte- en snelheidsveranderingen relateert).
De Formule Achter het Effect
Een roterend lichaam zal zich verplaatsen door toedoen van een lucht- of vloeistof stroom met een bepaalde snelheid (v), hoeksnelheid (w) en luchtweerstandscoëfficiënt (S). De Magnuskracht (Fm) is die kracht die wordt veroorzaakt door het drukverschil tussen de verschillende zijden van het lichaam. Deze kracht wordt berekend met volgende formule:
Lees ook: Steun het Nederlands Elftal met stijl
Fm = S (w x v)
De “x“staat in deze formule voor het vectoriële product van “w” en “v”. Dit is de algemene formule maar als het gaat over een roterende bal in de lucht is deze heel wat complexer:
F = ½ φ v2 A CL
Bij deze formule staat “φ” voor de dichtheid van de lucht of vloeistof, “v” voor de snelheid van de bal, “A” voor de oppervlakte van de bal (in m²) en “CL” voor de liftcoëfficiënt.
Toepassingen Buiten de Sportwereld
Het is niet alleen van belang voor de bevlogen aerodynamicus; het is ook allesbehalve een geheim in verschillende balsporten. Ingenieurs, aan de andere kant, hebben ook de toepassingen van het magnuseffect in hun beroep kunnen benutten. In de vaartuigkunde worden grote verticale draaiende cilinders gebruikt om op een mechanische manier te “zeilen”, wat een erg surreëel voertuig oplevert - zie afbeelding 3. Vliegtuigbouwers hebben ook al met gekke ideeën geëxperimenteerd: een horizontale cilinder vervangt eenvoudigweg de vleugels. Met voldoende rotatie en beginsnelheid, kan deze constructie het vliegtuig goed van de grond houden - zij het dat het ontwikkelen van dit systeem wel, letterlijk, met vallen en opstaan ging. Ook historische legerkanonnen maakten gebruik van een kogelomwenteling om een schot strategisch in de lucht af te buigen.