تساعد المحاكاة الحاسوبية في دراسة تدفق الهواء حول الكرة، والأحمال الواقعة على الأحذية، ودمج أجهزة الاستشعار في كرات اللعب. ومع ذلك، حتى أكثر النماذج تطوراً تحتاج إلى التحقق من صحتها في الاختبارات المعملية والميدانية.
قد تبدو كرة القدم لعبة بسيطة للوهلة الأولى: لاعبون، كرة، مرميان، ومجموعة من القواعد. ولكن وراء الكرة الحديثة، وأحذية اللاعبين، وأنظمة التحكيم، تعمل العديد من مجالات الهندسة - علم المواد، والميكانيكا، والديناميكا الهوائية، والإلكترونيات، والاتصالات اللاسلكية، ومعالجة البيانات.
أصدرت شركة داسو سيستمز مؤخراً عرضاً توضيحياً يُبين كيفية استخدام أدوات المحاكاة في برنامج SOLIDWORKS لاستكشاف المسائل الهندسية المتعلقة بكرة القدم. وتركز الشركة على ثلاثة أنواع من الحسابات: تحليل الأحمال على المعدات، ومحاكاة تدفق الهواء حول الكرة، ومحاكاة المكونات الكهرومغناطيسية وأجهزة الاستشعار.
هذا مثال توضيحي لإمكانيات البرنامج، وليس إعلانًا عن تطوير كرة رسمية معينة أو نظام تحكيم خاص بالفيفا باستخدام برنامج SOLIDWORKS. مع ذلك، فإن المبادئ الهندسية الواردة فيه تُستخدم بالفعل من قِبل الباحثين ومصنّعي المعدات الرياضية.
قبل النموذج الأولي
تُعد طريقة تحليل العناصر المحدودة، والمعروفة اختصاراً بـ FEA، إحدى الأدوات الرئيسية في تطوير المنتجات. تقسم هذه الطريقة نموذجًا حاسوبيًا للمنتج إلى عدد كبير من المناطق الصغيرة، وتحسب كيفية استجابة كل منها للقوى والضغط والإجهاد وتغيرات درجة الحرارة.
في حالة كرة القدم، يمكنك دراسة كيفية تشوه غلاف الكرة أثناء الركل، وكيفية توزيع الضغط الداخلي بعد الاصطدام، وما يحدث في مناطق الاتصال بين الصفائح المكونة للغلاف. أما في حالة الأحذية، فيمكنك دراسة الأحمال الواقعة على النعل، ومرونة المادة، وتوزيع الضغط على القدم.
لا تُغني المحاكاة عن الحاجة إلى النماذج الأولية والاختبارات العملية. بل يكمن دورها في تقليل عدد النماذج التي يجب إنتاجها، ومقارنة البدائل، وتحديد نقاط الضعف قبل بدء الإنتاج.
الكرة ليست مجرد كرة ملساء
لا تعتمد حركة الكرة في الهواء على سرعة الركلة فحسب، بل أيضاً على بنية سطحها. فعدد الصفائح وشكلها وعمق الأخاديد بينها وخشونتها واتجاه دوران الكرة تؤثر على طبقة الهواء المحيطة بها والدوامة المتكونة خلفها.
أظهرت دراسات نفق الرياح أن الكرات ذات الأشكال المختلفة للألواح قد تُظهر اختلافات في مقاومة الهواء، والرفع، واستقرار مسار الطيران. كما أن اتجاه اللحامات بالنسبة لتدفق الهواء قد يؤثر على المسار.
هذا يعني أن تغييراً بسيطاً ظاهرياً في التصميم - كتقليل عدد الألواح أو تغيير عمق الأخاديد - يمكن أن يغير النقطة التي يتحول عندها تدفق الهواء حول الكرة من تدفق منتظم نسبياً إلى تدفق مضطرب. ويؤثر هذا التحول على مقاومة الهواء وسرعة تباطؤ الكرة.
لماذا تنحني الركلة الدوارة؟
عندما يُدير اللاعب الكرة، يسحب سطحها جزءًا من طبقة الهواء معه. على أحد جانبي الكرة، يعمل الدوران في اتجاه تدفق الهواء، وعلى الجانب الآخر، يعمل عكس اتجاهه. ونتيجةً لذلك، يتغير تدفق الهواء وتوزيع الضغط حول الكرة، مما يُولّد قوةً تعمل عموديًا على اتجاه الحركة.
تُعرف هذه الظاهرة بتأثير ماغنوس. وهي تُفسر كيف يمكن لركلة حرة أن تبدأ مسارها ظاهريًا خارج المرمى، ثم تنحرف نحو الداخل. يعتمد اتجاه الانحراف على اتجاه دوران الكرة، بينما تتأثر شدته، من بين أمور أخرى، بسرعة الكرة ومعدل دورانها وكثافة الهواء.
باستخدام ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD)، يُمكن بناء نموذج للكرة والهواء المحيط بها، ودراسة كيفية تغير السحب والرفع والاضطراب عند سرعات ومعدلات دوران مختلفة. تُمكّننا هذه المحاكاة من رؤية ظواهر يصعب رصدها في التصوير الفوتوغرافي العادي، ولكن ينبغي مقارنة نتائجها بقياسات نفق الرياح والركلات المُتحكَّم بها.
المستشعر الموجود داخل الكرة
تتضمن كرة القدم الحديثة أيضاً مكونات إلكترونية. فالكرات المتصلة بأنظمة التحكيم مزودة بمستشعر حركة بالقصور الذاتي، قادر على رصد التغيرات في الحركة ولحظة لمس اللاعب للكرة.
ومن الأمثلة العملية على ذلك كرة تريوندا، الكرة الرسمية لكأس العالم لكرة القدم 2026. ووفقًا للفيفا، تحتوي الكرة على مستشعر حركة يعمل بتردد 500 هرتز، أي أنه يجمع البيانات حوالي 500 مرة في الثانية، وينقلها في الوقت الفعلي إلى نظام حكم الفيديو المساعد. وتساعد هذه البيانات في تحديد لحظة التسديد بدقة، وهي معلومة بالغة الأهمية عند التحقق من حالات التسلل.
استُخدمت تقنية مماثلة في كأس العالم 2022 في قطر. جمع النظام بيانات من مستشعر داخل الكرة مع كاميرات تتبع مسار الكرة ونقاط مختلفة على أجسام اللاعبين. لا يحل النظام محل الحكام، بل يزود حكام الفيديو بمعلومات يستندون إليها في اتخاذ قرارهم النهائي.
يُشكّل دمج الإلكترونيات في كرة تحديات إضافية. يجب حماية المستشعر من الصدمات المتكررة، ومنعه من الإخلال بتوازن الكرة، وتزويده بالطاقة، وضمان وصول الإشارة اللاسلكية إلى أجهزة الاستقبال. يمكن أن تساعد المحاكاة الكهرومغناطيسية في اختبار موضع الهوائي، وانتشار الإشارة، وتأثيرات المواد المحيطة بالمستشعر.
المحاكاة ليست هي الواقع.
تُتيح القدرة على إجراء التجارب الافتراضية توفير الوقت والموارد، كما تُمكّن من دراسة العديد من الحالات التي يصعب محاكاتها في تجربة واحدة. مع ذلك، يبقى النموذج الحاسوبي دائمًا تقريبًا للواقع، إذ يعتمد على افتراضات حول خصائص المواد، والظروف البيئية، وشكل الكرة، وطريقة ركلها.
تؤثر عوامل عديدة، كالرياح والأمطار والرطوبة ودرجة الحرارة والارتفاع، على مسار الكرة. حتى ركلات اللاعبين ليست متطابقة. لذا، لا يكفي مجرد عرض مرئي مبهر على الشاشة، بل يجب أن يخضع التصميم لاختبارات ميكانيكية، وتجارب في نفق الرياح، واختبارات في ظروف اللعب الفعلية.
لم تصبح كرة القدم لعبة يديرها المهندسون، لكن الهندسة أصبحت جزءًا لا يتجزأ منها. فهي تتجلى في المواد المصنوعة منها الكرة، والأخاديد الموجودة على سطحها، ونعال الأحذية، والكاميرات المثبتة فوق الملعب، والمستشعر الصغير الذي يساعد في تحديد وقت ركل الكرة بدقة.
שאלות ותשובות
ما هو تأثير ماغنوس؟ هذه قوة ديناميكية هوائية تؤثر على جسم دوار يتحرك في الهواء ويمكن أن تتسبب في انحراف الكرة عن مسارها المستقيم.
كيف تساعد المحاكاة في تطوير كرة القدم؟ يتيح لك ذلك إجراء اختبارات حاسوبية للأحمال والتشوهات وتدفق الهواء ومقارنة التصاميم قبل إنتاج النماذج الأولية.
ما وظيفة المستشعر الموجود في الكرة الذكية؟ يقيس هذا النظام حركة الكرة ويساعد في تحديد اللحظة الدقيقة التي يلمسها فيها اللاعب. وتُستخدم هذه البيانات، من بين أمور أخرى، بواسطة نظام التفاضل شبه الآلي.
هل يقرر الحاسوب ما إذا كان الأمر مختلفاً؟ لا. يوفر النظام البيانات والتنبيهات لحكام الفيديو، ولكن يتم اعتماد القرار من قبل فريق التحكيم.
