Découvrez comment SOLIDWORKS Simulation dévoile les aspects techniques qui ont présidé à l’évolution du ballon de football, depuis les lourds ballons en cuir jusqu’aux modèles modernes en polyuréthane.

Le football (ou soccer en Amérique du Nord) est sans doute le sport le plus populaire au monde, avec plus de 4 milliards de supporters à travers le globe. Et cette popularité ne date pas d’hier. Les sports où l’on frappe des objets avec les pieds existent depuis des millénaires. Des Mayas et des Aztèques en 1400 avant J.-C. au jeu chinois du cuju en 200 avant J.-C., en passant par l’Europe et au-delà au Moyen Âge, le sport que nous connaissons aujourd’hui sous le nom de football a toujours été mondial.

Le premier tournoi de football véritablement mondial a eu lieu en 1930. Treize équipes nationales se sont réunies à Montevideo, en Uruguay, pour la première Coupe du monde de la FIFA. Aujourd’hui, la Coupe du monde rassemble plus de 200 pays qui se disputent une place dans le tournoi.

Depuis 1930, bien des choses ont changé dans ce sport : les règles, les tenues, la culture des supporters, et bien d’autres aspects encore. Mais les changements les plus profonds ont concerné l’équipement, et plus précisément le ballon de football lui-même. Le ballon de match est passé d’une sphère en cuir absorbant l’eau à un icosaèdre tronqué en polyuréthane issu d’une ingénierie de pointe. Comprendre comment ces changements de matériaux affectent les performances du ballon a nécessité des essais avancés. Chez SOLIDWORKS, nous souhaitions mettre en évidence les différences réelles entre le ballon de la première Coupe du monde et celui utilisé en 2026. Nous avons donc utilisé un logiciel d’analyse par éléments finis (FEA) de notre gamme de simulation SOLIDWORKS afin de déterminer ce qui rend le ballon actuel supérieur au ballon de match d’origine.

L’évolution du ballon de football

Lors du tournoi de 1930, les joueurs frappaient une vessie en caoutchouc recouverte d’épaisses bandes de cuir. Les coutures épaisses rendaient les têtes douloureuses. Et le ballon devenait encore plus lourd lorsqu’il était mouillé. Lorsqu’il pleuvait ou que les équipes jouaient sur un terrain humide, le cuir s’imprégnait d’eau, prenait près de 50 % de poids en plus et devenait difficile à frapper et à manier. De plus, ces ballons cousus à la main se dégonflaient souvent en cours de match, ce qui entraînait une perte de temps et rendait les frappes encore moins efficaces.

Aujourd’hui, le ballon officiel du tournoi est composé de quatre panneaux en polyuréthane thermosoudés. Ils sont entièrement imperméables et présentent une texture de surface améliorée pour une meilleure adhérence sur les terrains secs ou mouillés. Ces avancées représentent un bond en avant considérable en matière de science des matériaux, d’intégrité structurelle et de fiabilité du produit.

Mise en place des études de simulation structurelle

Pour comprendre comment différents matériaux se comportent lors d’un tir, nous avons dû mesurer la quantité d’énergie restituée par le ballon lors de l’impact. Un ballon rigide restitue efficacement l’énergie. Un ballon souple l’absorbe, ce qui le rend plus difficile à manier.

Pour lancer notre étude, nous avons utilisé SOLIDWORKS Simulation. SOLIDWORKS Simulation a permis à nos ingénieurs de mettre en place une analyse dynamique non linéaire comparant un ballon moderne en polyuréthane, un ballon en cuir sec des années 1930 et un ballon en cuir mouillé des années 1930. Nous avons modélisé chaque ballon sous la forme d’une coque sous pression. Ensuite, nous avons simulé un tir en laissant tomber une plaque rigide d’une hauteur de 1 mètre à une vitesse d’impact de 4,43 m/s. Cet environnement virtuel intégré à l’interface utilisateur de SOLIDWORKS Design nous a permis de tester les réponses structurelles sans mettre les pieds sur un terrain.

Analyse des résultats

Les résultats de la simulation ont clairement démontré pourquoi les ballons de football modernes offrent de meilleures performances. Lorsque la plaque rigide a heurté le ballon moderne en polyuréthane, la contrainte s’est concentrée nettement au niveau de la zone d’impact et s’est répartie de manière prévisible à travers l’enveloppe. Le ballon s’est comprimé et stabilisé rapidement. Le ballon en cuir sec des années 1930 a présenté une réponse structurelle similaire, conservant efficacement sa rigidité sous la charge.

Tout a toutefois changé lorsque nous avons ajouté de l’eau. En simulant un ballon en cuir mouillé, nous avons constaté que l’enveloppe gorgée d’eau devenait jusqu’à cinq fois moins rigide que son équivalent sec. La zone de contact s’est considérablement étendue, et le ballon a cédé sous l’impact. Comme l’enveloppe ramollie dissipait l’énergie du coup de pied au lieu de l’emmagasiner, le ballon mouillé mettait beaucoup plus de temps à retrouver sa forme. Pour les joueurs d’autrefois, cela signifiait que le jeu pouvait ralentir considérablement sous la pluie. Ils devaient frapper un objet dont la structure était compromise et qui résistait à leur effort physique.

Augmenter la puissance de calcul

Après avoir réalisé des essais de chute dans SOLIDWORKS Simulation, nous avons souhaité approfondir nos recherches. C’est une pratique courante chez les concepteurs et les ingénieurs d’aujourd’hui : à mesure que les exigences en matière de tests deviennent plus strictes, les ingénieurs ont besoin d’une puissance de calcul élevée pour mener à bien la vérification complète d’un produit. Pour ce faire, nous avons exécuté la simulation sur la plateforme 3DEXPERIENCE basée sur le cloud, en tirant parti de ses capacités de calcul améliorées.

Grâce à SOLIDWORKS Simulation Analyst, qui utilise des techniques de maillage avancées et des solveurs explicites d’Abaqus, nous avons pu tester et analyser les conséquences d’un coup de pied et observer précisément comment le ballon en cuir mouillé se déformait. Cela a permis de confirmer nos conclusions issues de SOLIDWORKS Simulation sur ordinateur de bureau, ce qui a renforcé notre confiance. Passer d’une analyse de conception basique à une simulation complète et à une vérification approfondie du produit garantit que chaque itération du produit respecte des normes de performance strictes. Et la performance, c’est l’essentiel dans le football. 

Concevoir l’avenir du sport

La simulation à tous les niveaux permet aux ingénieurs et aux concepteurs de créer en toute confiance. Grâce à cette expérience ludique, nous avons pu comprendre l’histoire et l’évolution du ballon de football (ou, encore une fois, du ballon de soccer en Amérique du Nord). L’analyse de l’histoire du football prouve que de meilleurs matériaux permettent d’organiser des événements sportifs plus rapides, plus réguliers et plus sûrs. Les environnements de test virtuels aident les équipes à identifier les faiblesses, à itérer sur les conceptions et à résoudre les problèmes structurels avant même qu’un prototype physique n’existe.

La simulation nous aide à comprendre le monde et les produits que nous fabriquons. Alors que le monde se prépare pour le grand tournoi international de football, nous sommes impatients de partager avec vous d’autres histoires de simulation.