Dynamische Grübchen: Die Physik der Golfbälle

Die computer-optimierte Form der Grübchenmuster soll Golfbälle weiter fliegen lassen

San Antonio (USA) - Das Simulieren eines fliegenden Golfballs war bisher auch mit modernen Supercomputern eine mindestens 15 Jahre dauernde Aufgabe. Also entwickelten die Hersteller der kleinen weißen Kugeln bislang nach dem Prinzip Versuch und Irrtum. Doch US-Physikern ist es jetzt gelungen, die nötige Formelsammlung für die Wechselwirkung zwischen Golfballgrübchen und umströmender Luft so zu vereinfachen, dass ein Berechnen nur noch wenige Stunden dauern soll. Die Kombination aus Algorithmen und passender Software lieferte bisher ein Modell, das die Strömungsphysik des fliegenden Golfballs in nie zuvor gesehenem Detail wiedergab. Daraus sollen dann echte Bälle mit optimierter Oberfläche entstehen. Während Größe und Gewicht von Golfverbänden strikt vorgeschrieben sind, ist das Muster der Oberfläche frei wählbar. Eine geschickte Anordnung der Grübchen kann den Luftwiderstand im Flug deutlich verringern.

"Beim Golfball bedeutet weniger Strömungswiderstand, dass der Ball weiter fliegt", erklärte Clinton Smith, Doktorand an der Arizona State University, der die Arbeit beim 61. Jahrestreffen der Abteilung für Strömungsdynamik der American Physical Society (APS) am Wochenende in San Antonio präsentierte. Smith entwickelte das Gleichungssystem mit seinem Professor Kyle Squires, mit Nikolaos Beratlis und Elias Balaras von der University of Maryland sowie Masaya Tsunoda von der Firma Sumitomo Rubber Industries, Ltd. Bereits heute verdanken Golfbälle ihre Grübchen der Erkenntnis, dass kleinste Verwirbelungen an der Oberfläche den Luftwiderstand senken. Neben der Schwerkraft, die konstant nach unten zieht, ist dieser Widerstand der Hauptfaktor, der die Flugbahn des Balles begrenzt. Ein Golfball mit Grübchen erfährt nur etwa halb soviel Widerstand wie einer mit glatter Oberfläche.

Bisher soll das Berechnen dieser physikalischen Abläufe rund um die Oberfläche - und zwar nur für den Bruchteil einer Sekunde des Fluges - rund 15 Jahre Rechenzeit in Anspruch genommen haben. Entsprechend setzen Herstellerfirmen beim Verändern des Grübchenmusters bislang auf Erfahrungswerte und Testreihen. Die optimierte Algorithmensammlung der Forscher um Smith jedoch soll für eine typische Berechnung nur noch 300 Stunden auf 500 parallel geschalteten, schnellen Prozessoren benötigen. Ein Supercomputer liefert entsprechende Ausstattung.

So hat das Team mittlerweile den Luftfluss rund um einen Golfball so genau berechnen können, dass es den Widerstand an jeder Position bestimmen und zeigen konnte, wie die Luft in jedes der Oberflächengrübchen strömt, während sich der Ball auf seiner Flugbahn um sich selbst dreht. Ihr Rechenmodell liefert die Physik des fliegenden Golfballs mit bisher unerreichter Präzision. Als nächstes will das Team den Effekt unterschiedlicher Grübchenmuster vergleichen. Endziel ist das Entwickeln eines Musters, das den niedrigstmöglichen Luftwiderstand liefert.