رفتن به محتوا رفتن به پابرگ

فوتبال و فیزیک

فوتبال و فیزیک

فوتبال، مهیج ترین ورزش و سرگرمی دنیا. سالیانه موج شور احساسات و پول است که روانه ی این پدیده ی عجیب می شود. پدیده ای به شدت پیچیده که دیگر نمی دانیم اسمش را چی بگذاریم؟ ورزش، صنعت، علم یا حتی هنر؟ امروزه بیشتر پسر ها و برخی دختر ها در مدارس عاشق فوتبال هستند. و رویای فوتبالیست شدن را در سر می پرورانند. جالب اینجاست که درصد زیادی از همان دانش آموزان از فیزیک بیزارند! غافل از اینکه نمی دانند فزیک چقدر در فوتبال حضور موثر دارد!

دقت کنید این مطلب به این معنا نیست که هر کسی فیزیکدان باشد، یعنی فوتبالیست خوبی است. بلکه به این معناست که اگر فوتبالیست به قوانین ساده ی فیزیک آشنا باشد، می تواند کلاس فوتبال بازی کردنش را چندین پله ارتقا دهد. به هر حال فوتبال در کنار بازی جسم، بازی فکر نیز هست. پس باید تا حد امکان هوشمندانه بازی کرد. بگذارید نگاهی بیندازیم به راهکار هایی که فیزیک در اختیار ما قرار می دهد.

معادله ی حرکت

فوتبال ورزش تحرک و حرکت است. سر تا سر فوتبال با انواع حرکت ها رو به رو هستیم. حرکت های مستقیم، حرکت ها بالستیک، جهش های مختلف و حرکت های منحنی یا اصطلاحا کات دار! بررسی تخصصی این حرکت ها به هر کسی اجازه می دهد که در میدان سبز، مسلط تر بازی کند.

ابتدایی ترین حرکت در فوتبال، حرکت مستقیم است. هنگامی که دونده ای خودش یا توپ را در جهت مستقیم و با سرعت یکنواختی حرکت می دهد.رابطه ی فیزیکی حاکم بر این حرکت، معادله ی زیر است

 

در این معادله v سرعت، t زمان، x نمایانگر مکان و x صفر مکان اولیه یا نقطه ی شروع است.می بینیم مکان طی شده توسط دونده ، حاصل ضرب سرعت با زمان طی شده است. به وضوح در می یابیم که هر چه سرعت بیشتر باشد، در هر لحظه مکان بیشتری را می توان طی کرد. در خصوص توپ هم همین است. هنگامی که آن را شوت می کنید، بسته به سرعتش حرکت می کند. البته این معادله برای توصیف حرکت واقعی توپ  ایراد اساسی دارد. زیرا اصکاک در آن لحاظ نشده.

حرکت در دنیای واقعی با اصطکاک است. یعنی نیروی مقاومت هوا از انرژی حرکتی توپ می کاهد. نیروی مقاومت هوا تابعی از سرعت است. با تقریب می توان نیروی مقاومت را چنین فرض کرد.

 

که در این عبارت F نیرو مقاومت است و D به شکل و اندازه بستگی دارد. از این رابطه می توان معادله ی حرکت را به شکل زیر نوشت.

 

 

در این معادله m نماد جرم و e عدد اویلر است. به وضوح این معادله با معادله حرکت بدون اصکاک تفاوت دارد. برای توپ فوتبال D=0.03 و m=0.42 kg است. بنا بر این رابطه، هر چقدر که هم که سرعت شلیک توپ بیشتر باشد، اصکاک نیز قوی تر ظاهر می شود. اما با این حال هر چه سرعت توپ بیشتر باشد، مسافت طی شده نیز در هر لحظه بیشتر است.

برای مثال اگر توپ فوتبال را با سرعت 10 متر بر ثانیه شوت کنیم، در مدت ده ثانیه حدود هفتاد متر را می رود. در صورتی که در نبود اصطکاک تا 100 متر را طی می کرد. (البته معمولا به دلیل گرانش توپ های فوتبال به چنین مسافتی نمی رسند و زودتر سقوط می کنند.) رکورد بیشترین مسافت دست دِیتمار هامان با مسافت 134.5 متر است.

حال بازیکنی که استارت می زند و لحظه به لحظه سرعت خود را افزایش می دهد چگونه است؟ در اینجا معادله ی حاکم، معادله ی شتاب دار است.  شتاب عاملی است که باعث افزایش سرعت می شود.

در این رابطه، شتاب با حرف a نشان داده شده. در واقع اگر می خواهید در هنگام بازی، استارت قوی تری بزنید باید بتوانید شتاب خود را افزایش دهید. برای این کار باید یاد بگیرید در هنگام شروع، مرکز جرم خود را پایین آورید، و عضلات مچ و ساق خود را قوی کنید. تا حد ممکن نیز باید در حین دویدن بدن خود را صاف نگه دارید و سرتان را به قب یا جلو خم نکنید. همچنین دست ها به هنگام دویدن نباید کامل مشت باشد یا انگشتان کاملا باز باشد. سعی کنید برای داشتن تعادل بیشتر و غلبه بیشتر به اصطکاک، دستانتان رو طوری قرار دهید که انگار لیوانی در دستتان است.

حرکت بالستیک

این همان حرکتیست که موشک ها و یا سنگ های پرتابی نیز دارند. هنگامی که شما در حضور گرانش، جسمی را پرتاب کنید، حرکت مورد نظر شما حرکت پرتابه یا بالستیک خواهد بود. این حرکت به فور در فوتبال دیده می شود. به هنگام سانتر ها و یا ضربات ایستگاهی. تحلیل این حرکت برای هافبک های می تواند بسیار حیاتی باشد. چرا که دقت پاس های بلند آن ها در این پدیده نهفته است.

این حرکت در واقع تلفیق دو حرکت است. یکی سقوط آزاد است که از نوع حرکت شتابدار است. زیرا شتاب گرانش زمین باعث آن است. دومی حرکت مستقیم الخط است. به هنگامی که یک توپ را شوت می کنیم، حرکت رو به جلوی آن از نوع مستقیم الخط می باشد. و افتادن آن پس از مدتی پرواز  از نوع سقوط آزاد است. این دو حرکت به ظرافت با یکدیگر در آمیخته شدند تا ما بتوانیم از پاس های زیبای مثلا تونی کروس لذت ببریم. معادله ی آن به شکل زیر است.

 

 

از روی این رابطه در می یابیم برای رسیدن به بیشترین برد ممکنه، باید زاویه ی پرتاب را روی 45 درجه تنظیم کنیم. این زوایه، برای شکستن رکورد بیشترین مسافت طی شده بهترین گزینه است. هنگامی هم که می خواهند بیشترین برد تفنگ ها را نیز حساب کنند، زاویه شلیک را 45 درجه تنظیم می کنند. کم کردن و زیاد کردن این درجه، هر دو سبب کم تر شدن برد توپ ارسالی می شود. این کم کردن و زیاد کردن درجه تنها به کم و زیاد کردن ارتفاع کمک می کند، و در افزایش برد شراکتی ندارند. بنابراین اگر پشت ضربه ایستگاهی قرار گرفتید، و می خواهید از فاصله بسیار زیاد توپ را گل کنید، سعی کنید زاویه را روی 45 درجه تنظیم کنید.

حرکت کات دار

این حرکت مدیون وجود هوا در اطراف ماست. می دانم همگی شما با گل شاهکار روبرتو کارلوس آشنایید. به هنگام ایجاد کات در هنگام شوت، لازم است که به توپ، حرکت دورانی دهیم. اگر کاری کنیم که توپ هنگام حرکت به جلو، دور خودش نیز بچرخد، توپ شما به صورت منحنی حرکت خواهد کرد. (البته بهتر است بگوییم به صورت شلجمی حرکت می کند.) این اتفاق در فیزیک به نام اثر مگنوس شناخته می شود.

اثر مگنوس در شاره ها پدید می آید. هنگامی که جسمی در یک شاره بچرخد، در یک سمت از شاره تراکم کم می شود، و در قسمت دیگر انباشت شاره وجود دارد. همین انباشت باعث می شود جسم به سمت قسمت کم تراکم مایل شود و به جای حرکت مستقیم، مسیر شلجمی شکل را طی می کند. نیروی آن به شکل زیر است:

که در این رابطه A سطح مقطع است و دلتا p تغییرات تکانه!

کاربرد فیزیک در فوتبال به این موارد محدود نمی شود. از طراحی کیت های ورزشی تا نحوه ی صحیح تکل زدن. از نحوه ی شرجه زدن گرفته تا ارتفاع چمن، همگی باید از فیزیک کمک بگیرند تا مصدمیت ها را به حداقل برساند و کیفیت فوتبال را ارتقا دهد. مثلا در طراحی استوک، این مهم است که کفش، وزن را به طور متعادل پخش کند. و تکیه گاه آن در پاشنه باید گیرایی بیشتری داشته تا در هنگام استارت، سطح اصطکاک با زمین را افزایش دهد تا بازیکن تعادلش را از دست ندهد. یا مثلا به هنگام تکل شدن بهتر است مرکز جرم را پایین آورده تا تعادل بهتر برقرار باشد.

دقت کنید در فوتبال، چابکی و دریبل زدن با قد بلند در تعارض است. معمولا بازیکن های قد بلند ضمن داشتن سرعت زیاد و ضربه سر های عالی، توانایی دریبل های پی در پی را ندارند. از این رو مسی، مارادونا، باجو و رونالدینیهو در بازی های فانتزی و گذر از بازیکن ها استادانه ظاهر می شوند. زیرا به دلیل قد کوتاه، مرکز جرم آن ها پایین تر از بازیکن های قد بلند است. از همین رو چابک ترند و راحت جهت حرکت خود را عوض می کنند. بازیکن های قد بلندی مثل ابراهیموویچ و رونالدو که تکنیک دریبل کردن بالایی دارند، جزو استثنائات هستند. این نشان از استعداد زیاد، تمرین های موثر و ذهنیت پر اعتماد به نفس است که باعث می شود ضمن قد بلند، صحنه های دریبل دیدنی نیز داشته باشیم.

بحث کمک فیزیک در فوتبال تنها به تکنیک های بازی خلاصه نمی شود. در هنگام آنالیز، حضور یک فیزیکدان نیز می تواند بسیار موثر باشد. یک فیزیکدان در کنار تیم پزشکی می تواند محدودیت ها و نقاط ضعف بدنی بازیکن ها را مورد مطالعه قرار دهد و به بهبودی آن ها  کمک کند. و یا در آنالیز بازیکن های تیم حریف، یک فیزیکدان و یا ریاضی دان با دید منطقی که دارند، می توانند بسیار نکته بین باشند و استراتژی آن ها را بشکافد و راه های نفوذ را برملا کند. همچنین حضور یک فیزیکدان به عنوان تضمین کیفیت محصولات ورزشی و تحلیل آن ها می تواند بسیار مثمر ثمر باشد.

البته امروز شاید خیلی سخت بتوان دید که یک فیزیکدان در نیمکت یک باشگاه فوتبال نشسته باشد و در حال کمک به تیم باشد. در عض آنالیزور های ورزشی و مربی ها بدن سازی، در دوران تحصیل خود به همین فرمول هایی که عنوان شد مسلط می شوند و از آن ها در مسیر بهبود تیم کمک می کنند. به هر حال مهم نیست که اسم فرد را چی بگذاریم. مهم این است که فیزیک چه نقش حیاتی را در فوتبال بازی می کند که تا کنون شاید حتی فکرش را هم نمی کردید.

عدم قطعیت و فوتبال

یکم هم بحث را فیزیک کوآنتومی کنیم و دیگر بحث را ببندیم. در فیزیک کوانتوم اصلی حاکم است به نام اصل عدم قعیت!

این رابطه نشان می دهد که  افزایش دقت در مکان، سبب کاهش دقت در تکانه و کاهش دقت در مکان، سبب افزایش دقت در تکانه می شود. به نوعی این بالانس برقرار است که  حاصل ضرب این دو همواره از یک مقدار ثابتی بیشتر است. ولی هرگز نمی توان حاصل ضرب این دو را صفر کرد. به عباراتی نمی توان همزمان مکان و تکانه را با دقت تمام  در نظر داشت. خب این موارد  برای دنیای کوآنتوم است. اما در فوتبال چی؟

در فوتبال نیز عدم قطعیتی مشابه بالا وجود دارد. با این تفاوت که در دنیای کلاسیک ادعا می شود که اگر به اندازه ی خیلی زیاد تلاش کنی می توانی عدم قطعیت را  به صفر برسانی!

حالا معنای این حرف های قلمبه سلمبه چیست؟ ساده اش کنم بدین معناست که هر چی شما به عنوان بازیکن تکانه بیشتری داشته باشید (بخوانید سرعت بیشتر) دقت شما در هدف گیری و گل زدن پایین می آید. هر چند که سرعت توپ زیاد و گرفتنش سخت است.  از طرفی اگر سرعت خود را پایین بیاورید تا به دقت مکان مورد نظر را پیدا کنید، آن وقت تکانه ای که می توانستید به توپ دهید کاهش پیدا می کند و توپ با سرعت کمتری حرکت می کند. در هر حال نمی توان با حداکثر دقت و حداکثر سرعت توپ را شلیک کرد!

امیدوارم از این مقاله لذت برده باشید. و به عنوان یک عاشق فوتبال، حالا کمی با آغوش باز سر کلاس فیزیک بنشینید. کلاس فیزیکی که تا دیروز برایتان خسته کننده بود اما حالا شاید برایت کاربردی بروز می کند. هدف هم از اول همین بود که یک بار دیگر قدرت و محدوده ی کارکرد فیزیک را بیشتر بشناسید. بدون فیزیک و علوم پایه، واقعا طولی نمی کشد که ما به دوران پارینه سنگیو غار نشیی برگردیم. اگر هم دوست داشتید می توانید مقاله ی زیر را بخوانید که چطور یک فیزیکدان، در باشگاه لیورپول تاثیر گذار بود.

دیدگاه‌ خود را بنویسید

اخبار و یادداشت ها

منجنیق چگونه کار میکند؟

منجنیق چگونه کار می کند

منجنیق چگونه کار می کند منجنیق ها کلاس درس فیزیک پایه هستند. هر کسی به خوبی می تواند ببیند که چطور با مفاهیم بسیار ساده ی فیزیک می شود ماشین

مطالعه بیشتر
این هفته، فیلم مورد انتظار اپنهایمر به سینماها می‌رسد که در آن کریستوفر نولان، کارگردان مشهور، روایت خود را درباره‌ی فیزیکدان نظری، رابرت اوپنهایمر، که در طول جنگ جهانی دوم پروژه منهتن را به راه انداخت تا اولین بمب اتمی را توسعه دهد، به تصویر می‌کشد. رابرت اوپنهایمر که در سال ۱۹۶۷ درگذشت، به عنوان یک رهبر کاریززماتیک، متفکر عمومی بلندپرواز و قربانی ترس از کمونیسم شناخته می‌شود که در سال ۱۹۵۴ به دلیل ارتباطات پیشین خود با کمونیست‌های مشکوک، مجوز امنیتی خود را از دست داد.

اوپنهایمر

جدا از فیلم هالیوودی، اوپنهایمر چقدر فیزیکدان خوبی بود؟ این هفته، فیلم مورد انتظار اوپنهایمر به سینماها می‌رسد که در آن کریستوفر نولان، کارگردان مشهور، روایت خود را درباره‌ی فیزیکدان

مطالعه بیشتر

صوت و سرعتش

صوت و سرعتش اصوات در همه جا قرار دارند. هرجایی که شما بتوانید دو تا چیز را با هم برخورد دهید، صدا دریافت می کنید. امروزه ما در موارد بسیاری

مطالعه بیشتر

ترمودینامیک و ظرفشویی

ترمودینامیک و ظرفشویی ترمودینامیک به کمک شستن ظرف ها و نجات کره ی زمین می آید. اغلب، ماشین های ظرفشویی معمولی تمامی ریزجانداران های مضر مانده در بشقاب ها، کاسه

مطالعه بیشتر
مدار سری و موازی

مدار سری و موازی

مدار سری و موازی امروزه حوزه ی الکترومغناطیس شاید فعال ترین شاخه ی فیزیک است.نمی توان با اطمینان گفت جذاب ترین ولی قطعا پر مسئله ترین حوزه نیز همین حوزه

مطالعه بیشتر
بازی زندگی

بازی زندگی کانوی

بازی زندگی کانوی اکثر فلاسفه و دانشمندان معتقد بوده و هستند که زندگی پیچیده است. و قوانین پیچیده ای دارد. شاید شما هم تا کنون با آن ها هم عقیده

مطالعه بیشتر
دلنوشته های داوینچی راجع به کنکور مسائلی جبران ناپذیر و زیان ده، نا عدالتی، از اصل افتادن، نقد های ما را از دست ندهید همین الان به صفحه بیایید

کنکور، آزمون مرگ

کنکور آزمون مرگ بازار نتایج کنکور داغ است و بهانه ی خوبی برای به رینگ بردن این غول عاری از منطق. انتخاب احمق ترین فرد دنیا راحت نخواهد بود. همانطور

مطالعه بیشتر
ماده ی تاریک کاندید جدیدی به نام اکسیون دارد

اکسیون، قلب ماده ی تاریک

یک قدم نزدیک تر به ماده ی تاریک دانشمندان استرالیایی در شرف حل یکی از رمز و راز های عالم، ماده ی تاریک. آزمایش ارگان (ORGAN) اولین آشکارساز بزرگ ماده

مطالعه بیشتر
اولین تصویر ابر تلسکوپ جیمز وب طلوع عصر جدیدی را درشاخه ی نجوم و اخترفیزیک رقم زد.

جیمز وب، درگاه زمان

جیمز وب : به سوی بینهایت و فراتر از آن اولین تصویر ابر تلسکوپ جیمز وب طلوع عصر جدیدی را درشاخه ی نجوم و اخترفیزیک رقم زد. با این تکنولوژی

مطالعه بیشتر
بوزون هیگز ده ساله شد

بوزون هیگز ده ساله شد

بوزون هیگز ده ساله شد بزون هیگز ده ساله شد: دیشب یعنی 13 تیر 1401 سالگرد کشف ذره ی هیگز معروف به ذره خدا در آزمایشگاه سرن اروپا بود. اهمیت

مطالعه بیشتر