Wie strukturelle Simulationen den Fußball erklären
Fußball ist mit mehr als vier Milliarden Fans weltweit die wohl beliebteste Sportart überhaupt. Und das schon seit sehr langer Zeit. Spiele, bei denen ein Ball mit dem Fuß bewegt wird, gibt es seit Jahrtausenden. Von den Maya und Azteken 1400 v. Chr. oder über das chinesische Cuju bis hin zu verschiedenen Ballspielen im mittelalterlichen Europa – der Sport, den wir heute als Fußball kennen, war schon immer ein globales Phänomen.
Das erste wirklich internationale Fußballturnier fand 1930 in Montevideo, Uruguay, statt. Dreizehn Nationalmannschaften traten bei der ersten Weltmeisterschaft gegeneinander an. Heute kämpfen mehr als 200 Nationen um die Qualifikation für das größte Turnier der Fußballwelt.
Seit 1930 hat sich vieles verändert – die Regeln, die Trikots, die Fankultur. Die wohl größten Veränderungen betreffen jedoch die Ausrüstung, insbesondere den Ball selbst. Aus einer wasserabsorbierenden Lederkonstruktion wurde ein hochentwickeltes Produkt aus modernen Werkstoffen. Doch welchen Einfluss haben diese Materialänderungen tatsächlich auf die Leistung des Balls? Genau dieser Frage sind wir bei SOLIDWORKS nachgegangen. Mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEA) aus dem SOLIDWORKS Simulationsportfolio wollten wir herausfinden, warum moderne Spielbälle ihren historischen Vorgängern überlegen sind.
Die Entwicklung des Fußballs
Bei der Weltmeisterschaft 1930 bestand der Ball aus einer Gummiblase, die mit dicken Lederstreifen umhüllt war. Die groben Nähte machten Kopfbälle unangenehm und bei Regen wurde der Ball noch schwerer. Das Leder saugte Wasser auf, wodurch das Gewicht um bis zu 50 Prozent zunahm. Dadurch ließ sich der Ball deutlich schwieriger kontrollieren und spielen. Hinzu kam, dass die handgenähten Bälle während des Spiels Luft verlieren konnten. Dies führte nicht nur zu Unterbrechungen, sondern beeinträchtigte auch das Spielverhalten.
Moderne Turnierbälle bestehen dagegen aus thermisch verbundenen Polyurethan-Paneelen. Sie sind vollständig wasserabweisend und verfügen über spezielle Oberflächenstrukturen, die für bessere Kontrolle auf trockenen und nassen Spielfeldern sorgen. Diese Weiterentwicklungen markieren einen enormen Fortschritt bei Materialien, Stabilität und Zuverlässigkeit.
Struktursimulationen vorbereiten
Um zu verstehen, wie sich unterschiedliche Materialien bei einem Schuss verhalten, untersuchten wir, wie viel Energie der Ball beim Aufprall zurückgibt. Ein steifer Ball gibt die eingebrachte Energie effizient zurück, während ein weicher Ball mehr Energie absorbiert und sich dadurch schwieriger kontrollieren lässt.
Für unsere Untersuchungen setzten wir SOLIDWORKS Simulation ein. Dabei führten wir eine nichtlineare dynamische Analyse durch und verglichen drei Varianten: einen modernen Polyurethan-Ball, einen trockenen Lederball aus den 1930er-Jahren und einen nassen Lederball. Jeder Ball wurde als Druckhülle modelliert. Anschließend simulierten wir einen Schuss, indem eine starre Platte aus einem Meter Höhe mit einer Aufprallgeschwindigkeit von 4,43 m/s auf den Ball traf. Diese virtuelle Testumgebung ermöglichte es uns, das Strukturverhalten zu analysieren, ohne einen Fuß auf den Fußballplatz setzen zu müssen.
Die Ergebnisse der Simulation
Die Ergebnisse zeigten deutlich, warum moderne Fußbälle bessere Spieleigenschaften besitzen. Beim modernen Ball konzentrierten sich die Spannungen sauber auf die Aufprallzone und verteilten sich gleichmäßig über die Struktur. Der Ball wurde komprimiert und nahm schnell wieder seine ursprüngliche Form an. Auch der trockene Lederball aus den 1930er-Jahren zeigte ein ähnliches Verhalten und behielt unter Belastung seine Steifigkeit weitgehend bei.
Ganz anders sah es jedoch bei einem nassen Lederball aus. Die Simulation zeigte, dass die mit Wasser vollgesogene Hülle bis zu fünfmal weniger steif war als im trockenen Zustand. Die Kontaktfläche vergrößerte sich deutlich und der Ball gab stärker nach. Anstatt die Energie des Schusses zu speichern, wurde sie durch das aufgeweichte Material absorbiert. Dadurch benötigte der Ball wesentlich länger, um seine ursprüngliche Form wieder anzunehmen.
Für die Spieler bedeutete dies, dass Regen das Spiel erheblich verlangsamen konnte. Sie mussten einen Ball bewegen, dessen Eigenschaften durch die Feuchtigkeit deutlich beeinträchtigt wurden.
Mehr Rechenleistung für tiefere Analysen
Nach den ersten Untersuchungen mit SOLIDWORKS Simulation wollten wir unsere Analysen weiter vertiefen. Das entspricht auch den Anforderungen moderner Produktentwicklung: Je komplexer die Fragestellungen werden, desto wichtiger werden leistungsfähige Berechnungsmethoden. Deshalb führten wir zusätzliche Simulationen auf der cloudbasierten 3DEXPERIENCE Plattform durch und nutzten deren erweiterte Rechenkapazitäten.
Mit SOLIDWORKS Simulation Analyst konnten wir die Auswirkungen des Schusses noch detaillierter untersuchen und genau nachvollziehen, wie sich der nasse Lederball verformte. Die Ergebnisse bestätigten die Erkenntnisse aus den Desktop-Simulationen und erhöhten zusätzlich die Aussagekraft unserer Analysen. Der Übergang von ersten Konstruktionsuntersuchungen hin zu umfassender Simulation und Produktverifikation stellt sicher, dass jede Produktiteration hohe Leistungsanforderungen erfüllt. Und Leistung spielt im Fußball schließlich eine entscheidende Rolle.
Die Zukunft des Sports entwickeln
Simulation auf jeder Ebene ermöglicht es Konstrukteuren und Ingenieuren, mit größerer Sicherheit zu entwickeln. Unser Experiment hat gezeigt, wie sich der Fußball im Laufe seiner Geschichte verändert hat und welchen Einfluss Materialien auf das Spiel haben. Die Analyse verdeutlicht, dass bessere Werkstoffe zu schnelleren, konsistenteren und sichereren Spielbedingungen beitragen. Virtuelle Testumgebungen helfen dabei, Schwachstellen frühzeitig zu erkennen, Konstruktionen zu optimieren und Probleme zu lösen, bevor überhaupt ein physischer Prototyp entsteht.
Simulation hilft uns dabei, die Welt und die Produkte, die wir entwickeln, besser zu verstehen. Und während sich die Fußballwelt auf das nächste große internationale Turnier vorbereitet, freuen wir uns darauf, weitere spannende Simulationsgeschichten mit Ihnen zu teilen.
