Effet Magnus et turbulence dans le football - Définition

Introduction

L'effet Magnus et la turbulence sont deux effets aérodynamiques qui interviennent dans certaines frappes de ballon au football. On parle parfois d'« effet Carlos-Magnus-Bernoulli ».

Au football, un type de frappe de balle dite « frappe enveloppée » vise à donner une trajectoire courbe au ballon. Ce type de frappe est souvent utilisé lors des tirs de coup francs pour contourner le mur défensif constitué par une rangée de joueurs adverses placés entre le ballon et le but et faire revenir le ballon vers le but. Cette frappe, en faisant tournoyer le ballon sur lui-même, lui donne un effet qui modifie sa trajectoire pendant sa course. Un autre type de frappe, familièrement appelé « frappe banane », amplifie ce phénomène, la courbure de la trajectoire s'accentuant alors fortement à la fin de celle-ci, accompagné d'une accélération du ballon.

Exemple célèbre

Coup franc de Roberto Carlos : position des joueurs et trajectoires. Les Français sont figurés en bleu, les Brésiliens en jaune.

Lors d'un match du tournoi de France en 1997, les équipes de France et du Brésil s'affrontent au stade de Gerland à Lyon. Le défenseur brésilien Roberto Carlos marque un but surprenant sur coup franc. Le schéma ci-contre illustre la position des joueurs et la trajectoire de la balle. La faute est sifflée à environ 35 mètres du but français, légèrement sur la droite. Après la frappe du Brésilien, le ballon contourne le mur par la droite. Il semblait tellement flagrant que le tir passerait loin du cadre, qu'un ramasseur des balles, instinctivement baissa la tête. Soudain, en fin de trajectoire, la déviation vers la gauche s'accentua et la balle rentra dans le but après avoir heurté l'intérieur du poteau. Le gardien français Fabien Barthez et ses coéquipiers furent très surpris et incrédules sur l'instant. Le ralenti télévisé, caméra dans l'axe du but, montre bien la courbure en fin de trajectoire et l'accélération du ballon.

Cet exemple particulièrement célèbre a été étudié et expliqué par des physiciens des fluides.

L’effet Magnus

Représentation de l'effet Magnus sur un ballon de football.

L'effet donné à un ballon de football est dû à sa rotation sur lui-même. Si un objet est en rotation sur un axe perpendiculaire à son déplacement dans un fluide, une moitié de sa surface fait rotation dans la direction du déplacement, l'autre moitié fait rotation contre le déplacement. La friction entre la balle et l'air attire l'air en rotation de la même manière autour de la balle. De là, l'effet se conforme au principe de Bernoulli : l'air à l'extérieur de la courbe est ralenti, augmentant sa pression, tandis que l'air à l'intérieur de la courbe est accéléré, diminuant sa pression. Donc la balle dévie vers l'intérieur de la courbe, permettant au ballon de contourner le mur défensif et de revenir ensuite vers l'intérieur (voir schéma).

Analyse

Ce type de frappe et la trajectoire qui s'ensuit posent 2 questions :

1. Comment expliquer la déviation du ballon par rapport au début de sa trajectoire ?
2. Comment cette déviation peut-elle devenir plus prononcée au fur et à mesure de sa course, sans que le ballon ne soit touché par un autre joueur ?

Cette trajectoire peut s'expliquer par l'action simultanée de deux effets physiques :

• l'effet Magnus, et
• l'écoulement de l'air sur une surface, dite laminaire ou turbulente, en fonction du nombre de Reynolds de la situation.