Oral Bac rotation d un ballon

« ORAL BAC PHYSIQUE Introduction: Imaginez un gardien de but, prêt à plonger à gauche… et soudain, la balle change de direction sans raison apparente.

Ce n’est pas de la magie, c’est de la physique. En 2010, la Coupe du Monde en Afrique du Sud a été marquée par une innovation controversée : le ballon Jabulani, conçu pour être plus rond, plus lisse, plus moderne… mais qui a déstabilisé les joueurs et les gardiens. Derrière ce comportement étrange, on trouve différents phénomènes physiques Aujourd’hui, je vous propose d’explorer comment les caractéristiques physiques et la rotation d’un ballon comme la Jabulani influencent sa trajectoire dans l’air ? Pour cela, nous verrons d’abord les forces en jeu lorsqu’un ballon se déplace, puis nous analyserons l’impact de l’air sur son mouvement, avant d’étudier le cas spécifique – et polémique – de la balle Jabulani. I.

Les forces qui agissent sur un ballon en mouvement dans l’air - A.les forces qui agissent sur un ballon Commençons par comprendre les forces qui s’appliquent à un ballon lorsqu’il est frappé. D’abord, la force de gravité, ou le poids.

Elle agit toujours verticalement vers le bas, selon la formule classique : P=m⋅g qui dépend de la masse du ballon.

Ensuite, il y a une autre force très importante : la résistance de l’air, aussi appelée force de traînée.

Cette force s’oppose au mouvement du ballon.

Elle dépend : de la vitesse du ballon, de la surface frontale exposée à l’air, de la densité de l’air, et d’un coefficient de traînée qui dépend de la forme et de la surface du ballon. Sauf que Afrique du Sud est situé a 1750m d’altitude, donc la pression atmosphérique diminue =>la température baisse => loi des gazs parfaits, si température baisse, alors densité de l air baisse.

Donc la force de trainée diminue, a vitesse égale, le ballon va plus loin et met plus de temps a ralentir. Enfin, une autre force peut intervenir si le ballon tourne : c’est la force de Magnus.

Cette force latérale est responsable de la courbure de la trajectoire, par exemple lors des coups francs "enroulés". - - - - - B.

Effet Magnus : le ballon "tourne" Lorsqu’un ballon tourne sur lui-même, il modifie la circulation de l’air autour de lui.

D’un côté du ballon, l’air va plus vite car il suit le sens de rotation ; de l’autre côté, l’air est ralenti. D’après le principe de Bernoulli, plus l’air va vite, plus la pression est faible.

Donc, on observe une différence de pression de part et d’autre du ballon, ce qui crée une force latérale : c’est l’effet Magnus. Cette force va dévier le ballon sur le côté, ce qui explique pourquoi un joueur peut faire "courber" une frappe.

Plus la rotation est rapide, plus la déviation est importante. C’est un effet bien connu et maîtrisé par les footballeurs professionnels.

Ils en tirent parti pour surprendre les gardiens. C.

Sans rotation : l’effet "knuckleball" Mais un autre phénomène encore plus étrange peut apparaître si le ballon ne tourne presque pas sur lui-même. Dans ce cas, de petites turbulences apparaissent de manière aléatoire sur la surface du ballon, ce qui provoque des oscillations imprévisibles de la trajectoire.

C’est ce qu’on appelle l’effet "knuckleball", très connu aussi dans le baseball. C’est exactement ce qui a été observé avec la balle Jabulani. Quand elle était frappée sans rotation, sa trajectoire semblait "flotter" dans l’air, oscillant légèrement à gauche puis à droite.

Ce comportement est dû à des instabilités dans l’écoulement de l’air, rendues plus fortes par la surface très lisse du ballon. II.

L impact de l air sur la trajectoire de la balle Voyons maintenant en détail l’impact de la rotation du ballon. B.

Réactions et conséquences Pour aller plus loin dans l’explication de ces trajectoires imprévisibles, il faut s’intéresser à un concept central en dynamique des fluides : le régime d’écoulement autour du ballon. - - - - - - Quand l’air s’écoule autour d’un objet, comme un ballon, il forme une fine couche au contact de la surface qu’on appelle la couche limite.

Cette couche peut être : soit laminaire, c’est-à-dire que l’air s’écoule de manière fluide et régulière, soit turbulente, c’est-à-dire plus désordonnée, avec des tourbillons et des fluctuations. Dans un écoulement laminaire, l’air se détache plus tôt de la surface du ballon, ce qui crée une zone de basse pression à l’arrière et provoque une traînée plus importante et plus d’instabilités. À l’inverse, un écoulement turbulent reste plus longtemps "collé" à la surface, ce qui rend la trajectoire plus stable. Le type d’écoulement dépend notamment de la vitesse du ballon et de sa surface, mais aussi d’un paramètre appelé le nombre de Reynolds, qui varie en fonction de la vitesse du ballon, de son diametre et de la viscosité de l air Ce nombre permet de prédire le type d’écoulement : Si ReReRe est faible (< 2000), l’écoulement est laminaire. Si ReReRe est élevé (> 4000), il devient turbulent. Et entre les deux, on a.... »