Принципы в футболе

В статье рассматриваются принципы как работает футбола.

Когда мы смотрим на бегунов на поле, можно рассмотреть несколько аспектов и принципов:

Где они выстраиваются в очередь для игры
Изменение направления
Бег в открытом поле
Позиции в составе

Когда мы смотрим на позиции защитников, как в нападении, так и в обороне, мы видим, что они обычно выстраиваются вдали от линии схватки по обе стороны от нападающих и защитников. Их расположение дает им пространство или время для разгона из состояния покоя и достижения высокой скорости, чтобы либо бежать с мячом, либо преследовать носителя мяча. Обратите внимание, что у полузащитников гораздо больше возможностей для ускорения, чем у линейных игроков, а у широкоплечих приемников гораздо больше возможностей, чем у полузащитников. Таким образом, полузащитники могут развивать более высокие скорости, чем линейные игроки, а широкие приемники могут достигать самых высоких скоростей из всех.

Изменение направления на поле

Давайте рассмотрим пример игры на бегу, в которой квотербек передает мяч бегущему защитнику.

Во-первых, бег назад начинается с установленного положения, в состоянии покоя, и разгоняется до полной скорости (22 миль / ч или 9,8 м / с) через 2 с после получения мяча. Его ускорение (a) равно:

a = (vf - vo)/(tf - to)
a = (vf - vo)/(tf - to)

fv - конечная скорость
ov - начальная скорость
f t - последнее время
o t - начальное время
a =(9,8 м / с - 0 м /с)/(2 с - 0 с)
a = 4,9 м / с2

Когда он бежит по ходу игры (например, вправо), он поддерживает постоянную скорость (a = 0). Когда он видит разрыв в линии, он ставит ногу, чтобы остановить свое движение вправо, меняет направление и ускоряется вверх по полю на открытое пространство.

Ставя ногу, он прикладывает силу к газону. Сила, которую он прикладывает к газону, помогает выполнить две вещи:

Остановите его движение вправо
Ускорьте его на поле

Чтобы остановить его движение вправо, две силы работают вместе. Во-первых, есть сила, которую он сам прикладывает к газону, когда ставит ногу. Вторая сила - это трение между его ногой и газоном. Трение является чрезвычайно важным фактором для бегунов, меняющих направление. Если вы когда-нибудь видели футбольный матч под дождем, вы видели, что происходит с бегунами, когда мало трения, которое нужно использовать. Вот что происходит, когда бегун пытается изменить направление своего движения на мокрой поверхности:

Когда он ставит ногу, чтобы замедлить движение, коэффициент трения между ним и газоном уменьшается из-за воды на поверхности.
Уменьшенный коэффициент трения уменьшает силу трения.
Из-за уменьшенной силы трения ему труднее остановить движение вправо.
Бегун теряет равновесие и падает.

Приложенная сила и сила трения вместе должны остановить движение вправо. Давайте предположим, что он останавливается через 0,5 секунды. Его ускорение должно быть:

a = (0 м / с - 9,8 м /с)/(0,5 с - 0 с)
a = -19,6 м / с2
* Отрицательный знак указывает на то, что бегун ускоряется в противоположном направлении, влево.

Сила (F), необходимая для его остановки, равна произведению его массы (m), оцениваемой в 98 кг (220 фунтов), и его ускорения:

F = ma = (98 кг) (-19,6 м / с2) = 1921 ньютонов (N)
4.4 N = 1 фунт
F = ~ 500 фунтов!

Чтобы разогнаться на поле, он толкается о газон, а газон прикладывает к нему равную и противоположную силу, тем самым продвигая его вверх по полю. Это пример третьего закона движения Исаака Ньютона, который гласит, что "для каждого действия существует равная, но противоположная реакция". Опять же, если он разгоняется до полной скорости за 0,5 с, то газон прикладывает 1921 Н, или около 500 фунтов, силы. Если никто не будет препятствовать его движению вверх по полю, он будет развивать и поддерживать максимальную скорость, пока не забьет гол или не будет схвачен.

Бег в открытом поле

Бегая по открытому полю, игрок может развить максимальную скорость. Поскольку импульс является произведением массы и скорости, игроки с разной массой могут иметь одинаковый импульс. Например, наш бег назад будет иметь следующий импульс (p):

p = mv = (98 кг) (9,8 м / с) = 960 кг-м / с

Чтобы лайнмен весом 125 кг (275 фунтов) имел тот же импульс, он должен был двигаться со скоростью 7,7 м / с. Импульс важен для остановки (захвата, блокирования) бегунов на поле.

Масса - количество вещества, которое содержит объект
Импульс - математическое произведение массы движущегося объекта и его скорости
Импульс - математическое произведение силы и времени, в течение которого эта сила применяется к объекту

Захват и блокирование бегунов основаны на трех важных принципах физики:

Импульс
Сохранение импульса
Вращательное движение

Когда встречаются бегун и нападающий

Когда наш бегущий защитник движется по открытому полю, его импульс составляет 960 кг / м / с. Чтобы остановить его - изменить его импульс - нападающий должен применить импульс в противоположном направлении. Импульс - это произведение приложенной силы и времени, в течение которого эта сила применяется. Поскольку импульс - это продукт, подобный импульсу, тот же импульс может быть применен, если изменить силу удара или время контакта.
Если бы защитник хотел справиться с нашим бегущим назад, ему пришлось бы применить импульс в 960 кг / м / с. Если бы подкат произошел за 0,5 с, приложенная сила была бы:

F = импульс / t = (960 кг / м / с) / (0,5 с) = 1921 N = 423 фунта

В качестве альтернативы, если защитник увеличил время контакта с бегущим защитником, он мог бы использовать меньше силы, чтобы остановить его.

В любом столкновении или подкате, в котором нет никакой силы, кроме силы, создаваемой самим столкновением, общий импульс участников должен быть одинаковым до и после столкновения - это сохранение импульса. Давайте рассмотрим три случая:

Носитель мяча имеет тот же импульс, что и нападающий.
У игрока, несущего мяч, больше импульса, чем у нападающего.
У игрока, несущего мяч, меньше импульса, чем у нападающего.

Для обсуждения мы рассмотрим упругое столкновение, при котором игроки не остаются в контакте после столкновения.

Если носитель мяча и нападающий имеют одинаковый импульс, то поступательный импульс носителя мяча точно соответствует обратному импульсу нападающего. Движение двух остановится в точке соприкосновения.

Если у игрока, несущего мяч, больше импульса, чем у нападающего, он отбросит нападающего назад с импульсом, равным разнице между двумя игроками, и, скорее всего, прервет подкат. После разрыва подката носитель мяча ускорится.

Если у игрока, несущего мяч, импульс меньше, чем у нападающего, он будет отброшен назад с импульсом, равным разнице между двумя игроками.

Во многих случаях нападающие пытаются держаться за держатель мяча, и они могут перемещаться вместе. В этих неупругих столкновениях общие реакции будут такими же, как и в приведенных выше; однако в случаях 2 и 3 скорости, с которыми объединенные игроки будут двигаться вперед или назад, будут уменьшены. Это снижение скорости связано с тем, что разница в импульсе теперь распределяется по общей массе двух игроков, а не по массе одного игрока с меньшим импульсом.

Процесс захвата

Тренеры часто говорят своим игрокам, чтобы они атаковали раннера низко. Таким образом, ноги бегуна будут вращаться в воздухе в направлении подката.

Давайте посмотрим на это внимательно:

Представьте, что масса бегуна сосредоточена в точке, называемой центром масс. У мужчин центр масс расположен на уровне или чуть выше пупка; у женщин, как правило, центр масс находится ниже пупка, ближе к бедрам. Все тела легче всего будут вращаться вокруг своего центра масс. Итак, если приложить силу по обе стороны от центра масс, объект будет вращаться. Эта вращательная сила называется крутящим моментом и является произведением величины приложенной силы и расстояния от центра масс, на котором приложена сила. Поскольку крутящий момент является продуктом, один и тот же крутящий момент может быть приложен к объекту на разных расстояниях от центра масс путем изменения величины приложенной силы: требуется меньше силы дальше от центра масс, чем ближе. Итак, если атаковать бегуна низко - далеко от центра масс - для его атаки требуется меньше силы, чем если бы его атаковали высоко. Кроме того, если раннер попадает точно в его центр масс, он не будет вращаться, а вместо этого будет двигаться в направлении подката.

Лайнмен низко приседает, чтобы его центр масс был ближе к земле. Это затрудняет перемещение игрока соперника.
Точно так же тренеры часто советуют линейным игрокам оставаться на низком уровне. Это приближает их центр масс к земле, поэтому игрок соперника, независимо от того, насколько низко он опускается, может связаться с ними только вблизи их центра масс. Это затрудняет перемещение игроков соперника, поскольку они не будут вращаться при контакте. Этот прием имеет решающее значение для защитника при защите собственных ворот в "красной" зоне, за последние 10 ярдов до линии ворот.

Мы затронули только некоторые приложения физики, поскольку они относятся к футболу. Помните, это знание кажется инстинктивным; Чаще всего игроки и тренеры сознательно не переводят механику физики в свою игру в спорте. Но, сделав этот перевод, мы сможем еще больше понять и оценить, насколько удивительны некоторые физические подвиги на футбольном поле. Кроме того, применение физики к футболу приводит к созданию лучшего и более безопасного оборудования, влияет на правила спорта, улучшает спортивные результаты и усиливает нашу связь с игрой.