L'effet rétro est essentiel à vos lancers francs au basketball ! Une étude de simulation SOLIDWORKS

Au basketball, un lancer franc est un tir précis et régulier. Les marges d'erreur sont faibles, alors les joueurs utilisent des techniques pour améliorer leurs chances. Une technique essentielle consiste à donner un effet rétro au ballon. Dans cet article, nous allons réaliser une analyse de mouvement et d'aérodynamique à l'aide de SOLIDWORKS Motion et Simulation SOLIDWORKS  Pour comprendre l'importance du backspin, comparez-le à un coup sans effet. Nous allons examiner deux facteurs importants :

1. Mécanique de rebond
2. Mécanique de Knuckleball

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Grâce à SOLIDWORKS, on peut positionner avec précision le ballon sur la ligne des lancers francs (figure 1) et tirer de manière fiable un lancer franc de la même manière à chaque fois, en ne faisant varier qu'un seul paramètre à la fois. De cette façon, on peut répondre à des questions spécifiques sans trop de variables confondantes.

Figure 1 – Configuration CAO SOLIDWORKS sur la ligne des lancers francs

Lors de ce test, nous avons fait varier la vitesse du ballon tout en maintenant l'angle constant, et avons testé avec 3 tours par seconde (figure 2). Nous avons ensuite effectué le même test sans effet.

Figure 2 - La vitesse initiale et la rotation sont configurées dans SOLIDWORKS Motion

Nous avons inclus les forces de traînée sur la balle, ce qui affectera sa trajectoire parabolique naturelle et nous donnera des résultats plus précis. La figure 3 montre un exemple d'équation de la composante Y de la force de traînée.

Figure 3 - La composante Y de la force de traînée dépend des vitesses

Des ressorts ont été inclus sur le cerceau (figure 4) pour imiter la déviation qui se produit lorsque le ballon de basketball frappe l'avant du panier.

Figure 4 - Ressorts sur le panier de basketball pour une mécanique de rebond plus précise

Avec cette configuration en tête, nous sommes maintenant prêts à exécuter nos tests.

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Mécanique de rebond

L'un des résultats les plus révélateurs que nous avons obtenus est celui obtenu lorsque nous avons tiré la balle à environ 7,78 m/s et qu'elle a frappé l'avant du panier. Voyez si vous pouvez repérer la différence de performance entre le même tir sans effet (à gauche) et avec effet (à droite) dans l'animation ci-dessous.

Figure 5 - Tiré à 7,78 m/s pour toucher l'avant de la jante au même endroit. Gauche : Pas de rotation ; Droit : 3RPS spin

L'effet rétro ralentit la balle quand elle touche le panier. Nous avons testé différentes vitesses et résumé les résultats à la figure 6.

Figure 6 - Résumé des tirs à différentes vitesses. Les zones orange correspondent aux tirs manqués.

Comme vous pouvez le voir sur cette figure, nous pouvons potentiellement réussir des coups en sous-tirant sans effet, mais il existe une zone peu fiable où la balle a trop d'énergie et a tendance à rebondir. Si l'on examine cette zone fiable, notre marge d'erreur semble beaucoup plus grande avec l'effet. Voir la comparaison de ces zones à la figure 7.

Figure 7 - Comparaison côte à côte de la marge de tir. Plus de 20 % plus grande avec l'effet.

Selon ce test, l'ajout d'effet rétro augmentera notre marge d'erreur d'un peu plus de 20 %.

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Mécanique de Knuckleball

Un autre facteur qui peut faire toute la différence entre un tir sans effet et un tir avec effet est l'aérodynamisme. Avec les tirs de basketball devant être à la fois réguliers et précis, l'effet knuckleball (comme au baseball) peut influencer considérablement les marges d'erreur sur un tir sans effet. La figure 8 montre les deux mêmes tirs traversant l'air, avec les forces de portance montrées en dessous.

Figure 8 - Aérodynamique du tir et forces de portance. Gauche : Pas de rotation ; Droit : 3RPS spin

La force de portance sur le tir avec effet (à droite) a une force de portance moyenne stable qui oscille de haut en bas à peu près en synchronisation avec la rotation de la balle.

En revanche, la force de portance moyenne sur le tir sans rotation (à gauche) se déplace vers le haut dans cette animation.

Ce déplacement vers le haut est difficile à prévoir et aurait pu se déplacer vers le bas, voire ne pas se produire du tout, si les conditions initiales avaient été légèrement différentes. Ce déplacement dépend de plusieurs facteurs, mais dans ce cas précis, c'est la position des veines qui a le plus d'impact.

L'animation ci-dessous montre comment un léger changement d'angle peut avoir un impact important sur la direction de la force de portance.

Figure 9 - Effet Knuckleball : un léger changement de l'angle initial peut entraîner de grandes différences de portance

Mais qu'est-ce que ça veut dire pour notre tir ? Si la force de portance pointe vers le haut au début du tir, puis change au milieu, le tir s'écarte de sa trajectoire moyenne (figure 10).

Figure 10 - Effet Knuckleball sur la trajectoire de vol de la balle. Trajectoire moyenne indiquée en bleu.

Comparez cela à un tir dont la portance moyenne est relativement constante et où les fluctuations s’annulent rapidement en cours de route (figure 11).

Figure 11 - Balle avec rotation 3RPS. Trajectoire moyenne indiquée en bleu.

Si on zoome et qu'on regarde à quelle distance de la trajectoire moyenne ces prises de vue s'éloignent, la différence est claire (figure 12).

Figure 12 - Le Knuckleball peut pousser la balle loin de sa trajectoire moyenne (grande marge rouge) par rapport à l'effet

Et l'effet que cela a sur nos marges d'erreur crée un argument convaincant pour ajouter de l'effet à vos lancers francs (figure 13).

Figure 13 - Marges d'erreur mises à jour pour inclure ces zones de knuckleball. Zone cohérente presque 80 % plus grande

En regardant les zones cohérentes, cela représente une amélioration de près de 80 %.

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Conclusion

Mettre en place des expériences virtuelles dans SOLIDWORKS Motion et SOLIDWORKS Flow Simulation est souvent beaucoup plus simple, rapide et cohérent que de mettre en place des expériences ou des prototypes physiques réels. Heureusement, au basketball, de nombreux « expérimentateurs » sont déjà sur le terrain pour tester ces théories, et leur conclusion générale est la même : l'effet rétro est bénéfique.

Pour en savoir plus sur la façon dont SOLIDWORKS Motion ou SOLIDWORKS Flow Simulation peut vous aider à exécuter vos expériences virtuelles, veuillez contacter notre soutien ou planifier une séance avec l'un de nos ingénieurs.

Bonus Shots Blooper

Figure 14 - Quelques clichés amusants qui n'ont pas été inclus dans le tableau des marges d'erreur