Специально для чемпионата мира: как лучшие в мире «играют как Бекхэм»?
«Футбольные матчи должны быть чем-то особенным, чем-то, чего люди с нетерпением ждут, чем-то, что делает жизнь ярче». - Пи Джей О’Рурк
Раз в четыре года лихорадка чемпионата мира охватывает весь земной шар, и универсальный язык спортивного мастерства и мастерства говорит со всеми нами свою поэзию и красоту. Но есть один особый тип игры - стандартный план , который предлагает не только лучшее напряжение, которое вы когда-либо испытывали на спортивном мероприятии, но и некоторые из самых замечательных научных достижений!
www.youtube.com/watch?v=COmVHgPBCGo
Те из вас, кто внимательно следил за чемпионатом мира по футболу 2006 года, возможно, помнят этот впечатляющий гол со штрафного, забитый Дэвидом Бекхэмом, когда мяч буквально изогнулся в воздухе и закрутился сразу за кончиками пальцев эквадорского вратаря и сразу внутри стойка ворот. Бекхэм, возможно, известен тем, что сгибает мяч, но вряд ли он первый или единственный, кто это делает.
Приведенный выше ракурс на самом деле не демонстрирует, насколько зрелищным является такой удар, поэтому взгляните на лучший пример такого изгиба со штрафного, который я когда-либо видел: 115 Роберто Карлоса. футов (35 м) штрафного удара против Франции в 1997 году. Обязательно посмотрите замедленный повтор, чтобы увидеть подробности!
Стена защитников установлена, Карлос бьет по мячу далеко от них - и, видимо, по стойке ворот тоже - только для того, чтобы мяч разбился в воздухе и дугой попал прямо в стойку ворот, скользя по ней за, казалось бы, чудесную цель!
Только это вовсе не чудо, это физика! Есть две вещи, которые кикер должен контролировать, а природа позаботится об остальном. Давайте разберем, как работает такой удар.
1.) Невероятная скорость. Первый шаг в подобном ударе - заставить мяч двигаться как можно быстрее, что - это одна из самых простых физических физик: простая передача импульса. Стандартный футбольный мяч весит около 14-16 унций (410-450 граммов), а человеческая нога намного тяжелее. Как бы быстро человек ни размахивал ногой в момент удара о мяч, этот мяч может взлететь со скоростью, в два раза превышающей эту скорость, что является следствием почти идеального упругого столкновения между тяжелой массой (ногой) и легкой массой (мяч).
В голе Роберто Карлоса, который вы видели ранее, мяч достиг феноменальной начальной скорости 70 миль в час (110 км/ч)! Есть важная физическая причина, по которой так важно заставить мяч двигаться быстро, но это работает, только если вы заставляете мяч двигаться с большой скоростью в сочетании с чем-то еще.
2.) Очень быстрое вращение. Если вы не будете вращать мяч, он просто будет лететь по воздуху в направлении на его начальную скорость (показана зеленым цветом) влияют только две силы: сила тяжести, которая работает, чтобы ускорить его движение по направлению к центру Земли, и сопротивление воздуха, которое работает, чтобы замедлить его движение. Но если вы можете заставить мяч вращаться, вы можете включить в действие третью силу: Силу Магнуса, которая толкает мяч в одну сторону в зависимости от его вращения. Это менее интуитивная сила, чем две другие, но она крайне важна для того, чтобы заставить ее неожиданно искривляться. Первое, в чем вам нужно убедиться, это в том, что ось вращения мяча максимально близка к перпендикулярной его скорости.
Мяч обычно обтекается воздухом, когда он проносится мимо со всех сторон, но если он вращается, то с одной стороны мяч будет двигаться в том же направлении, что и движущийся воздух (сверху, в изображение выше), в то время как противоположная сторона будет иметь вращение мяча, противодействующее движению воздуха (внизу, на изображении выше). Там, где движение противоположно, воздух становится более высоким давлением и оказывает немного увеличенную силу по сравнению с нормальным, в то время как там, где движение течет вместе, давление воздуха падает и оказывает немного уменьшенную силу, в результате чего мяч испытывает дополнительную силу в этом боковом направлении. направление.
Вот как обычно изгибается вращающийся футбольный мяч; для удара Роберто Карлоса мяч заставил его ногу вращаться со скоростью около 700 об / мин, или около 12 оборотов в секунду. Но в этой истории есть нечто большее, чем просто поворот мяча по красивой дуге; если вы ударите по мячу правильно - как мы описали - вы можете сделать так, чтобы мяч "сломался" в воздухе! Ключ в том, чтобы понять, как воздух обтекает мяч.
Чем быстрее движется футбольный мяч, тем больше турбулентного следа он оставляет за собой. Со временем сопротивление воздуха будет замедлять футбольный мяч независимо от того, как быстро по нему бьют, и меньшая часть потока становится турбулентной, а большая часть потока становится ламинарной по мере снижения его скорости.
Чем быстрее движется мяч, тем больше турбулентность обтекающего его воздуха, а чем медленнее он движется, тем менее турбулентным и более ламинарным может быть поток. В конце концов, мяч, замедленный сопротивлением воздуха, начнет двигаться настолько медленно, что весь поток вокруг него станет на 100 % ламинарным.
Теперь давайте снова добавим вращение. Это важно, потому что только часть воздуха, которая течет ламинарно, может создать силу Магнуса; турбулентный воздух не может этого сделать!
Итак, давайте представим, что у нас есть футбольный мяч, движущийся с большой начальной скоростью и большим начальным вращением, которое остается постоянным на протяжении всего полета мяча. Поскольку сопротивление воздуха играет роль и скорость мяча падает, воздушный поток вокруг мяча становится более ламинарным, а сила Магнуса увеличивается! Если мы добавим эти силы к сценарию, изображенному выше (представьте, что мяч вращается по часовой стрелке), вот что мы увидим.
Боковое движение мяча будет увеличиваться - он будет ускоряться вбок - по мере замедления благодаря тому, что воздушный поток вокруг него становится более плавным. Итак, что это значит, если собрать все вместе?
Если вы начнете с быстро движущегося, быстро вращающегося мяча, он начнет двигаться почти по прямой линии, лишь слегка изгибаясь из-за своего вращения. Когда он сталкивается с большим сопротивлением воздуха, его скорость падает, а воздушный поток вокруг него становится более плавным. Пока он все еще быстро вращается, Сила Магнуса - сила, которая заставляет его ускоряться вбок - , будет увеличиваться, заставляя его ускоряться все больше и больше по мере того, как траектория полета мяча продолжается.
И если футболист достаточно попрактиковался в этом, он может выполнить то, что кажется невозможным, рутинно и с невероятной точностью.
Это наука самых совершенных футбольных бросков, и все благодаря невероятной физике футбола!
Есть комментарий? Присоединяйтесь к форуму Starts With A Bang в Scienceblogs!