ضربه‌های دقیق با محاسبات علمی

امروزه ورزش و علم دو یار جدانشدنی هستند. در هر تکنیک ورزشی براحتی می‌توانید ردپای یکی از علوم پایه را پیدا کنید. دانشمندان بسیاری با استفاده از فیزیک، مواد، ریاضیات و بسیاری دیگر از علوم پایه سعی در بهبود بخشیدن به فنون ورزشی و ثبت رکوردهای بهتر و نیز جلوگیری از بروز آسیب‌دیدگی‌ها دارند.

بیومکانیک که یکی از شاخه‌های علم فیزیک است، با به‌کارگیری قوانین فیزیک و مکانیک در حرکات ورزشی و فعالیت‌های روزمره انسان و نیز تجزیه و تحلیل عمل و عکس‌العمل نیروهای داخل و خارج وارد شده بر بدن انسان، سعی در بررسی تاثیرات نهایی این نیروها بر بدن انسان دارد. کاربرد این قوانین در ورزش و تکنیک‌های مربوط به آن باعث تغییرات شگرف و باورنکردنی در انواع رشته‌های ورزشی شده است. به‌عنوان مثال تغییر در حرکات کلاسیک وزنه‌برداری یا برگزیدن استیل چمباتمه و کشش‌های انفجاری کشش با شتاب بالا توانسته است رکوردهای این ورزش سنگین را به‌نحو چشمگیری تغییر دهد و علاوه بر این موجب دگرگونی پایه‌ای در تکنیک‌های آن شود. در این میان یکی از قوانین بیومکانیک که در ورزش‌های توپی و بررسی آنها کاربرد زیادی دارد اثر مگنوس است.

ایرو دینامیک توپ‌های ورزشی

خیلی از فوتبالدوست‌ها ضربه آزاد روبرتو کارلوس برزیلی را در تورنمنت فرانسه به یاد دارند. توپ با شوت او در مقابل چشمان حیرت‌زده دروازه‌بان و تماشاچیان و رسانه‌ها با قوسی عجیب تغییر مسیر داد و وارد دروازه شد. بعد از این ضربه بود که کارلوس شروع به تمرین این شوت کرد. او به این بصیرت رسیده بود که به چه طریقی و با چه سرعتی به توپ ضربه بزند تا این اتفاق بیفتد، اما به احتمال زیاد از واقعیت فیزیکی نهفته پشت این قضیه بی‌خبر بود. شاید فیزیکدانان بهتر از او راجع به ضربه‌اش مطلع باشند!

اولین دانشمندی که به ارائه توضیحات علمی راجع به این اتفاق اقدام کرد، شخصی به‌نام لرد ریلی(Lord Rayleigh) بود که خود نیز از یک فیزیکدان آلمانی که در سال 1852 مشاهداتی در این زمینه داشت الهام گرفته بود. این فیزیکدان آلمانی، گوستاو مگنوس(Gustav Magnus )، بشدت دنبال این بود که سبب انحراف پرتابه‌ها و گلوله‌های توپ را کشف کند. البته به گواهی تاریخ آیزاک نیوتن 180 سال پیش از مگنوس دراین‌باره یک تئوری ارائه کرده بود.

توپی را در نظر بگیرید که حول یک محور عمود بر مسیر جریان هوا، در حال چرخش است.

وقتی جسمی کروی، مثل همین توپ، در یک محیط سیال بچرخد باعث می‌شود یک لایه مرزی در اطرافش شکل بگیرد. اگر سرعت این جسم کروی در سیالV باشد، آن‌گاه سرعت سیال نزدیک به جسم در یک طرف آن کمی بیشتر ازV و در طرف دیگر کمی کمتر ازV است. دلیل آن هم واضح است: سرعت القا شده به سبب وجود لایه مرزی اطراف جسم در حال چرخش، به یک طرف اضافه و از یک طرف کسر می‌شود. مطابق قانون برنولی در جایی که سرعت بیشتر باشد، فشار سیال کمتر است و جایی که سرعت کمتر باشد فشار سیال بیشتر خواهد بود. بر اثر همین تفاوت در سرعت سیال موجود در اطراف جسم چرخان، فشار سیال هم متفاوت می‌شود و در نتیجه نیروهایی که به جسم وارد می‌شوند تفاوت خواهند کرد. در واقع اثر مگنوس پدیده‌ای است که به‌موجب آن یک شیء چرخان در حال پرواز در یک محیط سیال، در اطراف خود گردابی از آن سیال را ایجاد می‌کند و در نتیجه نیرویی را که بر خط سیرش عمود است و از جهت چرخش آن مجزاست، تجربه می‌کند.

بررسی بیشتر پدیده

نیروهایی که به یک توپ چرخان در حال پرواز در هوا وارد می‌شود را معمولا به 2 دسته تقسیم می‌کنند: نیروی جلوبرنده()Drag و نیروی برا.(Lift )نیروی برا به سمت بالا یا پهلوهای جسم وارد می‌شود و مسوول رخ دادن اثر مگنوس است. نیروی جلوبرنده هم در جهتی مختلف با مسیر حرکت توپ عمل می‌کند. حال اجازه دهید نیروهای در حال کار در یک ضربه آزاد خوب را بررسی کنیم.

فرض کنید سرعت توپ 30 25 متر بر ثانیه و چرخش آن هم 10 8 دور در ثانیه باشد. در این حالت نیروی برا در حدود 5/3 نیوتن خواهد بود. در مقررات مسابقه‌های فوتبال حرفه‌ای آمده است که جرم توپ این ورزش باید معادل 410450 گرم باشد. معنی آن این است که شتاب آن حدود 8 متر بر مجذور ثانیه خواهد بود. وقتی این توپ به‌مدت یک ثانیه خط سیر 30 متری را طی می‌کند، نیروی برا باعث می‌شود توپ حدود 4 متر از خط مستقیم اصلی خود منحرف شود و همین کافی است تا دروازه‌بان در مهلکه بیفتد و تماشاچیان به هیجان درآیند. نتیجه نهایی تمام این صحبت‌ها این است که یک توپ فوتبال که با سرعت کمی در حال حرکت است، با نیروی بازدارنده نسبتا بزرگ‌تری روبه‌رو خواهد شد. اما اگر بتوانید با سرعت کافی به توپ ضربه بزنید، به‌طوری که جریان هوا در اطراف توپ به حالت متلاطم درآید، آن‌گاه توپ با نیروهای بازدارنده کوچک‌تری روبه‌رو خواهد شد. پس یک توپ فوتبال که با سرعت در حرکت است، برای دروازه‌بانی که به‌فکر نجات دروازه است 2 مشکل را پیش خواهد آورد: نه تنها توپ با سرعت به سمت دروازه می‌آید، بلکه سرعتش نیز متناسب با آنچه انتظار می‌رود کم نخواهد شد. شاید بهترین دروازه‌بانان آنهایی باشند که بینش فیزیکی دارند. یعنی خیلی بیشتر از آنچه در کتاب‌ها فیزیک خوانده‌اند، این علم را به‌صورت ذاتی درک کرده باشند.

مگنوس و ورزش

از اثر مگنوس معمولا برای توضیح حرکات مبهم و اسرارآمیز توپ در انواع ورزش‌های توپی بخصوص تنیس، والیبال، گلف، بیسبال، فوتبال و کریکت استفاده می‌شود. حرکت منحنی‌وار ناخواسته در توپ گلف که بهslice شناخته می‌شود، اغلب به سبب حرکت چرخشی توپ حول محور عمودی آن و اثر مگنوس است که نیرویی افقی را ایجاد می‌کند. در تنیس روی میز هم اثر مگنوس قابل مشاهده است. یک بازیکن باتجربه تنیس روی میز براحتی می‌تواند به‌خاطر سایز کوچک و چگالی پایین توپ به توپ چرخش‌های بیشتری بدهد و اجازه ندهد حریف ضربه او را بگیرد. راکت تنیس روی میز هم معمولا به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که ایجاد چرخش روی توپ را توسط بازیکن تسهیل کند.

ملاقات مجدد با روبرتو کارلوس

دوباره برمی‌گردیم به شوت روبرتو کارلوس. گرچه با اطمینان صددرصدی هم نمی‌توان گفت، اما توضیحات زیر احتمالا بهترین توضیح برای آن چیزی است که رخ داده است:

کارلوس با لبه خارجی پای چپش توپ را شوت کرد تا به آن چرخشی بر خلاف جهت عقربه‌های ساعت بدهد. هوا نیز مساعد بود و بنابراین میزان چرخشی که او به توپ داد، بسیار زیاد بود. شاید بتوان گفت توپ او با بیش از 10 دور در ثانیه در پرواز بوده است. شوت کردن با لبه خارجی پا به کارلوس این امکان را داد که به توپ سرعت بالایی شاید بیش از 30 متر بر ثانیه بدهد. جریان هوا در سطح توپ متلاطم بود که به توپ نیروی جلوبرنده نسبتا پایینی می‌داد. در قسمتی از مسیر (شاید حدود 10 متر جلوتر) سرعت توپ بسیار کاهش یافت. به‌عبارت دیگر توپ وارد جریان ورقه‌ای و صاف هوا شد. همین موضوع باعث شد نیروی جلوبرنده وارد بر توپ افزایش یابد و باعث شود سرعت آن باز هم کمتر شود. از این به بعد نیروی مگنوس وارد عمل می‌شود و توپ را به سوی گل منحرف می‌کند.

سوت پایان

از روبرتوکارلوس آموختیم اگر به توپ با قدرت کافی ضربه بزنیم، به‌طور‌ی‌که جریان هوا در اطراف توپ به حالت متلاطم درآید، در این‌صورت نیروی جلوبرنده کوچک می‌ماند و توپ واقعا پرواز خواهد کرد. آموختیم اگر بخواهیم توپ کات بکشد، باید به آن چرخش زیادی بدهیم. آموختیم این کار در یک روز خشک راحت‌تر از یک روز مرطوب انجام می‌شود اما می‌تواند به شرایط آب و هوایی بستگی زیادی هم نداشته باشد. آموختیم وقتی سرعت توپ کم می‌شود و جریان هوای اطراف آن به‌صورت ورقه‌ای درمی‌آید، توپ انحنای بیشتری می‌یابد. پس باید تمرین کنیم تا مطمئن شویم این تغییرات همگی در جای خودشان رخ می‌دهند؛ مثل وقتی که توپ دیوار دفاعی را رد کرده باشد.