Beeinflusst der Druck im Ball die Schussweite?

Der eine mag es lieber ein bisschen weicher, der andere spielt gerne mit einem Stein Fußball. Nachdem ich auf dem Fußballplatz mit zwei sehr verschieden aufgepumpten Fußbällen gespielt habe, kam mir die Frage auf, ob die Härte des Balls eigentlich auch die Schussweite beeinflusst. Als Physikstudent finde ich die Frage natürlich besonders interessant, weil mich nicht nur das reine Ergebnis interessiert, sondern auch der physikalische Hintergrund, aber dazu später.

Nach langer Überlegung, wie ich denn einen Versuchsaufbau gestalten könnte, mit dem sich die Schussweite eines Fußballs relativ unabhängig vom Schützen messen lässt, kam ich zu einer Lösung für das Problem:

Wie kann man das denn messen?

Man muss den Ball nur jedes Mal an der gleichen Stelle mit dem gleichen Schwung anstoßen und misst die Entfernung, die der Ball danach zurücklegt. Das sollte fürs Erste reichen. Umgesetzt habe ich das, indem ich einen Hammer als Stoßgewicht benutzt habe, der frei schwingen konnte. Am Boden befindet sich nun der Ball, der von dem herunterschwingenden Hammer getroffen wird und dadurch in Bewegung gerät.

Meine Versuchsobjekte waren ein Nike Strike Fußball (2018/19), der neue Derbystar Bundesligaball (2018/19) und ein etwas älterer Adidas F50 Fußball. Alle Bälle stammen aus demselben Preissegment; es sind alles Trainingsbälle.

Gestartet wurde mit einem Balldruck von etwa 0.2 bar. Alle Bälle wurden nacheinander unter die Vorrichtung gelegt und die Entfernung gemessen, die jeder Ball nach dem Stoß zurückgelegt hat. Danach wurde der Druck um ca. 0.1 bar erhöht und die Messungen erneut durchgeführt. Schließlich habe ich die Daten ausgewertet.

Die Messergebnisse

Auch wenn die Messungen (siehe Bild) starken Schwankungen unterliegen, ist auffällig, dass ab einem bestimmten Druck die zurückgelegte Entfernung relativ stabil ist. Das war bei mir ab ungefähr 0.4 bar der Fall. Deutlich zu erkennen ist auch, dass die Entfernung bei unter 0,4 bar drastisch geringer ist als bei einem härter aufgepumpten Ball. Man könnte also sagen, dass ab einem gewissen Druck die Schussweite nicht mehr so stark davon abhängt, wie stark ein Ball aufgepumpt ist. Dass das für einen Menschen, der den Ball schießt etwas anders ist, erkläre ich später.

Stimmt mit der Physik überein

Die Messergebnisse, auch wenn sie sehr streuen, stimmen ziemlich gut mit der Erklärung aus der Physik überein. Hier definiert man die Elastizität eines Balles aus dem Verhältnis der unterschiedlichen Sprunghöhen, wenn man den Ball auf den Boden fallen lässt. Man misst zum Beispiel die Höhe des ersten Rückpralls und teilt sie durch die Höhe des zweiten Rückpralls. Dadurch kann man ermitteln, wie viel Energie beim Stoß mit dem Boden verloren geht, oder besser: in Verformungsenergie umgewandelt wird, da sich der Ball verformt.

Wenn man einen Fußball schießt, vollzieht unser Fuß auch so einen Stoßprozess mit dem Ball. Je nachdem wie groß nun seine Elastizität ist, kann eine größere oder geringere Schussweite erzielt werden. Ein platter Fußball prellt im Prinzip gar nicht. Daher hat er eine Elastizität von 0. Im besten Fall kann der Ball eine Elastizität von 1 erreichen. Das heißt, dass der Rückprall beim Prellen genauso hoch ist wie die Ausgangshöhe. Das ist natürlich in der Realität unmöglich. Die untere Grafik zeigt die Elastizität eines Fußballes schematisch in Abhängigkeit zum Balldruck. Man sieht deutlich, dass ab einem gewissen Druck die Elastizität nicht mehr sonderlich zunimmt. Sie stagniert etwa bei 0.87. Auch wenn der Ball mit 5 bar aufgepumpt wäre, wobei man hier schon ein Platzen des Balles riskiert, würde die Elastizität nicht besser werden, da das Material, welches die innere Blase umgibt, trotzdem noch weich ist.

Physikalisch lässt sich also mithilfe der Elastizität zeigen, dass die Schussweite des Balles ab einem gewissen Druck nicht mehr sonderlich zunimmt, da sich die Elastizität kaum noch verändert.

Fazit

Interessanterweise fängt der Bereich, in dem die Schussweite relativ konstant bleibt, genau dort an, wo der Hersteller seinen empfohlenen Luftdruck ansetzt. Meine Testbälle haben einen empfohlenen Druckbereich von 0.5 – 0.7 bar, 0.6 – 0.8 bar und 0.7 – 0.9 bar und in diesem Bereich spielt sich auch das meiste Geschehen ab.

Da ich vorhin gesagt habe, dass das mit den Schüssen in der Realität etwas anders ist, möchte ich darauf natürlich zurückkommen: Sicherlich beeinflusst der Balldruck die Schussweite nicht mehr maßgebend, doch unser Fuß ist ein weiches Objekt, das nicht mit einem Hammer vergleichbar ist. Für einen guten Schuss ist es wichtig, dass sich der Ball beim Schuss leicht um den Fuß legt. Da gibt es auch ziemlich gute Zeitlupenaufnahmen, die zeigen, wie sehr sich ein Ball eindrückt, wenn man ihn kräftig schießt. Für einen Menschen ist es sicherlich angenehmer, einen etwas weicheren Ball zu schießen als einen komplett harten. Der Druckbereich, der sich dafür am besten eignet, steht sogar auf jedem Ball drauf. Meistens ist es irgendwas zwischen 0.5 und 0.9 bar. In diesem Bereich hat der Ball die besten Schusseigenschaften und spielt sich am angenehmsten. Darunter ist er viel zu weich, darüber ziemlich hart.

Letztendlich kann man also sagen, dass sich die Schussweite innerhalb des empfohlenen Balldrucks nicht ausschlaggebend verändert. Es liegt also an dir, wie hart oder weich du deinen Ball haben möchtest. Offizielle Spielbälle werden mit 0.8 bis 1.0 bar gespielt und dieser Druck wird eigentlich auch nicht überschritten.

Was dein richtiger Balldruck ist und wie du ohne Druckprüfer den richtigen Balldruck ermittelst, erfährst du in diesem Artikel.

Im Anschluss siehst du die Bälle, die ich für den Versuch verwendet habe.

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