It is important to improve the initial launch conditions of golf ball at impact between golf club and ball to get a long flight distance. The flight distance is greatly influenced by the initial launch conditions such as ball speed, launch angle and back spin rate. It is also important to analyze the mechanism of ball spin to improve the initial conditions of golf ball. Back spin rate is created by the contact time and contact force.
Previous studies showed that the contact force is determined as the resultant force of the reaction forces normal and tangential to the club face at the contact point. The normal force causes the compression and restitution of ball, and the tangential force creates the spin. Especially, the tangential force is known to take either positive or negative values as the ball rolls and slides along the club face during impact. Moriyama (2004) conjectured that the positive and negative tangential forces create and reduce the back spin rate, respectively, without mentioning the mechanism of ball spin creation during impact. The mechanism of ball spin creation has not yet been discussed in detail in the literature.
In this paper, the influence of the contact force between golf club and ball is investigated to analyze the mechanism of impact. For this purpose, the contact force and the contact time at impact between golf club head and ball are computed using FEM and compared with previous results. In addition, we investigate the impact phenomenon between golf club head and ball by FEM and clarify the mechanism of ball spin creation accurately, particularly focusing on the effect of negative tangential force on ball spin rate.
충돌 후 공의 초기 속도에 영향을 미치는 가장 큰 요인은 충돌 전 클럽의 속도이다. 예를 들어서 충돌 전 드라이버의 속도가 35 m/s 일 경우 충돌 후 공의 초기 속도는 대략 50 m/s 인데, 이는 클럽의 속도가 크면 클수록 공의 초기 속도가 커지게 된다. 반면 공의 역회전의 경우 로프트 각도와 클럽의 속도가 가장 큰 영향을 미치는데 로프트 각도와 클럽의 속도가 커질수록 역회전이 더 빨라지게 된다. 이때 역회전 속도는 대략 1000~10000 RPM 정도로 고속으로 회전하게 된다. 사이드 스핀의 경우는 클럽이 비스듬히 맞거나 중앙에서 옆으로 벗어나서 맞을 경우 생기게 되는데 비스듬한 각도가 클수록, 옆으로 멀리 떨어져서 맞을수록 커지게 된다. 정확하게 정면으로 충돌한 경우 사이드 스핀은 생기지 않는다.
정면충돌의 경우 초기의 클럽의 속도와 로프트 각도가 주어지면 충돌이 일어나면서 힘이 클럽에서 공으로 전달되고 그로 인해 공은 상당히 찌그러지게 된다. 충돌이 일어나는 동안 클럽과 공 사이에 마찰력으로 인해서 공은 클럽 헤드면을 타고 미끄러지다가 회전을 하면서 클럽을 벗어나게 된다. 이와 같은 과정을 거쳐서 공은 초기의 속도, 발사각도, 역회전을 가지고 공기 중으로 날아가게 된다. 사이드 스핀의 경우는 로프트 각도와 옆으로 벗어난 각도까지 고려해야 하므로 더 복잡한 메커니즘을 통해서 공의 초기 조건들이 결정된다.
이처럼 골퍼들이 공을 타격했을 때 매우 짧은 충돌시간에 이러한 초기 조건들이 생겨나게 되고 이로 인해 공이 클럽을 벗어나 공기 중으로 매우 먼 거리를 날아가게 되는 것이다. 따라서 타격 시 충돌을 자세히 해석함으로 인해 골프 분야에서 새로운 제품개발과 비거리 향상에 도움을 주는 것은 물론 충돌이 일어나는 유사 다른 분야에까지 적용 가능 할 수 있다. 하지만 이 짧은 시간에 어떠한 충돌 메커니즘에 의해서 골프공이 고속으로 회전하고 또 멀리 날아가게 되는지에 대한 연구는 굉장히 미흡한 편이다.
