Avec 113 millions de téléspectateurs et téléspectatrices aux États-Unis et 40 millions d’autres à travers le monde, le Super Bowl est la grand-messe sportive la plus prisée en Amérique du Nord. L’événement de dimanche, avec en sus une idylle sous les projecteurs, s’annonce tout aussi suivi.
Au Canada, la plus récente finale de la Coupe Grey a pour sa part atteint une audience record de 3,7 millions de personnes, rivées à leur téléviseur en novembre dernier pour voir la victoire des Alouettes de Montréal.
Les deux ligues n’ont pas la même popularité, tant s’en faut, ni les mêmes règles. Mais il y a une autre différence : bien que similaires en apparence, les fameux ballons ovales présentent, de part et d’autre de la frontière, certaines particularités qui affectent leur aérodynamisme, c’est-à-dire les forces exercées par l’air sur le ballon tout au long de son vol. La conception et les caractéristiques du ballon ont un impact sur l’ampleur de ces forces.
N’en déplaise aux joueurs, malgré leur talent à lancer le ballon le plus loin possible, son aérodynamisme variera non seulement en raison de sa fabrication et du niveau de son gonflement, mais aussi en fonction de plusieurs autres facteurs.
Professeur au Département de génie mécanique de l’École de technologie supérieure, je m’intéresse à la dynamique des fluides expérimentale. J’étudie la physique des écoulements de fluides et certaines applications (par exemple, la propulsion de véhicules aquatiques, les applications aérodynamiques). La dynamique des fluides est un vaste domaine et affecte de nombreux aspects de nos vies. Qu’il s’agisse du flux sanguin dans le cœur, du vol des avions, des magnifiques motifs tourbillonnants de l’atmosphère de Jupiter ou… d’un lancer de football impeccable pour un touché.
La dimension du ballon a un effet sur la stabilité du vol
La NFL et la LCF disposent des mêmes règlements concernant les dimensions du ballon. Celui-ci doit mesurer entre 11 po et 11,25 po de long. Il doit aussi être gonflé à une pression comprise entre 12,5 psi et 13,5 psi, ce qui doit lui conférer une circonférence maximale allant de 28 po à 28,5 po pour ce qui est de sa longueur, et de 21 po à 21,25 po pour sa largeur.
Ces dimensions ont leur importance. Le ballon de football agit, en fait, comme un gyroscope. Plus la vitesse de rotation est élevée, plus le ballon sera stable pendant son vol. Des dimensions différentes peuvent donc avoir un certain effet sur la stabilité du vol du ballon.
Une circonférence plus grande suggère qu’une plus grande partie de la masse du ballon est éloignée de sa ligne centrale. Cela signifie qu’il a un moment d’inertie (résistance à la rotation) plus élevé et, donc, que la même force appliquée pour le faire tourner entraînera une vitesse de rotation plus faible.
Deux bandes et un lacet qui font une différence
On trouve deux bandes blanches sur le ballon canadien, en plus d’un lacet : le règlement américain ne prévoit rien à ce propos.
Ces différences entre les ballons canadien et américain ont un effet sur sa traînée. Une force de traînée est la résistance qui s’oppose à un objet en mouvement dans un fluide. Dans ce cas-ci, il s’agit principalement de la résistance entraînée par l’air (qui est un fluide), qu’on appelle la traînée de forme ou de pression.
Prenons l’exemple d’une balle de golf. Ses alvéoles favorisent les turbulences, qui permettent au flux d’air de rester collé à la balle et d’en réduire la traînée totale. Moins de traînées signifie que la balle pourrait voler plus loin pour la même force appliquée.
Les lacets d’un ballon de football et toute autre modification importante de sa surface (un logo, une valve), en combinaison avec la rotation du ballon, auront le même effet dans une certaine mesure. Il serait intéressant d’étudier en quoi ces différences entre les ballons de football de la NFL et de la LCF affectent leur traînée respective.
NFL ou LCF, quel ballon est meilleur ?
Pour ce faire, nous pourrions, dans une soufflerie (une installation expérimentale sous forme de tunnel avec soufflage d’air contrôlé), simuler le mouvement de l’air (écoulement du fluide) autour des deux ballons qui seraient fixés dans l’espace, puis mis en rotation avec une poussée d’air servant à imiter la vitesse de vol du ballon.
Une balance aérodynamique mesurerait les différences de traînée entre les deux ballons, soumis aux mêmes conditions. Idéalement, les deux ballons auraient les mêmes dimensions pour supprimer d’autres facteurs de variabilité.
Le passage de l’air autour du ballon pourrait être visualisé à l’aide de la fumée ou de la technique de vélocimétrie par image ou par suivi de particules. C’est une ne méthode où on ensemence l’air avec des particules (des gouttelettes ou bulles de savon). Le mouvement de ces particules pourrait être capté à l’aide d’une caméra pour quantifier la vitesse de l’air en tous points autour du ballon. Cela permettrait de voir des régions de décollement et de recirculation d’air et d’avoir une idée de la répartition des forces aérodynamiques autour du ballon.
Différentes vitesses de rotation et vitesses de vol pourraient être examinées, car il existe toujours la possibilité de développer des instabilités d’écoulement de l’air, ce qui entraînerait une modification de son comportement autour du ballon.
On pourrait ainsi déterminer quel ballon, celui de la NFL ou celui de la LCF, est le meilleur.
La texture du ballon influence sa traînée
Il existe un autre type de traînée, attribuable celle-là au frottement de l’air avec la surface du ballon. On l’appelle traînée de frottement.
Elle dépend pour sa part principalement de la texture du ballon et de sa vitesse. Plus la texture du ballon est rugueuse, plus la traînée de frottement est élevée pour une même vitesse. De même, une vitesse de ballon plus rapide aura une traînée de frottement plus élevée.
En réduisant la traînée de forme, on réduit davantage la traînée totale du ballon, qui peut ainsi aller plus loin et plus vite sur le terrain de football.
Et puis il y a… la météo !
La météo joue aussi un rôle sur l’aérodynamisme du ballon de football.
Les températures froides ou chaudes peuvent affecter la taille du ballon en diminuant ou en augmentant la pression de l’air à l’intérieur de celui-ci.
De même, la température peut avoir un certain effet sur les propriétés matérielles du ballon, une température plus froide le rendant plus rigide et une température plus chaude, plus souple.
La température et l’humidité jouent également un rôle dans les propriétés physiques de l’air en modifiant sa masse volumique et sa viscosité.
La pluie affectera également directement la traînée puisque, dans un sens, elle affecte la texture de la surface du ballon telle que ressentie par l’air.
Mais la question ne se posera pas à Las Vegas, dimanche, pour le match du Super Bowl, puisque le stade Allegiant est couvert.