II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ЗАКОНЫ ФИЗИКИ И ФУТБОЛ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Петухов Д.А. 1Кривов А.С. 1

---

1

Беликов А.Н. 1

---

1

Работа в формате PDF

5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

 Введение.

Футбол – простая игра на первый взгляд. Кажется, что игроки просто ведут мяч и бьют по нему, пытаясь попасть в ворота противника. На самом деле, им нужно владеть большим числом навыков. Постановка удара по мячу – один из них. Аккуратность и точность удара играют решающую роль для успешной атаки, поэтому на тренировках при разучивании технического приема, его многократно повторяют. Понима­ние существа приема во многих случаях позволяет избежать различных ошибок, при приеме мяча необходимо учитывать его теоретические обоснования. [2]. Много профессиональных команд играет в футбол, «гоняют» мяч во дворах, на школьных площадках, в спортзалах. Играть в футбол могут многие, побеждают те, кто доводит игру досовершенства.

Цель: изучить в теории и экспериментально проверить законы физики, объясняющие различные игровые ситуации и позволяющие лучше использовать возможности человеческого организма в футболе.

Задачи:

1.Рассмотреть футбольный удар с точки зрения физики.

2.Теория и эксперименты законов физики необходимых для качественной игры в футбол.

3. Рассчитать мощность игроков футбольной команды школы по методике

лестничного теста Маргариа.

4.Составить рейтинг ребят, обладающих хорошими скоростными и силовыми характеристиками.

5.Изучить движение тела в газе на примере штрафного удара Роберто Карлоса.

6. «Советы футболистам» по сбережению здоровья во время матчей и развитию физических качеств.

Объект исследования - необходимость учета законов механики при постановки удара по мячу. Предмет исследования - дальность полета мяча, остановка мяча, взаимодействие мяча и футболиста, резаный удар. Методы исследования: наблюдения, моделирование процессов, эксперимент, измерения, анализ.

В процессе работы над темой пользовались книгами, рассказывающими об игре в футбол, учебной литературой по физике, сайтами из сети Интернет, энциклопедией Википедия.

Основная часть.

Глава 1.Футбол — командный вид спорта.

1.1.Удары по мячу.

В современной игре техническое мастерство чрезвычайно необходимо. Среди различных технических приемов удары по мячу занимают наиболее важное место, так как большая часть игры ведется при помощи самых различных ударов ногами или головой.

Стремясь в игре добиться победы, футболисты как бы соревнуются в умении бить по мячу. Существует поня­тие— «поставить удар», это значит научиться из различ­ных положений бить точно и сильно.[1],[2].В физике под ударом понимают такой тип взаимодействия движущихся тел, при котором временем взаимодействия можно пренебречь. Линия, проходящая через точку соприкосновения тел, перпендикулярная к поверхности их соприкосновения, называется линией удара [5].

Прямым центральным ударом называют соударение, при котором скорости тел (шаров) до и после удара направлены по линии удара. В футбольной практике центральные удары принято называть пря­мыми, их направление проходит через центр тяжести мяча. При нецентральном ударе скорости тел (шаров) до и после столкновения не направлены по одной прямой, начальные скорости шаров не совпадают по направлению с линией удара. Удар, направление которого проходит в стороне от центра тяжести мяча, называется косой [3]. После нецентрального соударения шары разлетаются под некоторым углом друг к другу. В футболе такие удары обычно назы­вают резаными, направление такого удара проходит в стороне от центра тяжести мяча. При резаном ударе его сила, ско­рость и дальность полета мяча будут несколько меньши­ми, чем при прямом ударе. Такой удар отлично подходит для паса через защитника, для ударов на дальнее расстояние, угловых, пенальти. Нужно знать: а) мяч, который ударили в правую часть, полетит влево и будет вращаться влево , б) мяч, который ударили в левую часть, полетит вправо и будет вращаться вправо. [1],[2] В каждой игре футболисты много раз пытаются поразить ворота соперников. Однако очень часто мяч после их ударов летит мимо ворот. Это проис­ходит чаще всего потому, что игроки при выполнении ударов не попадают в нужную точку мяча. Наиболее опытные футболисты тщательно прицеливаются, стараясь очень точно нанести удар по мячу. Они хорошо знают, что нужно выбрать определенное ме­сто (долю), по которому надлежит нанести удар. Во время игры футболистам, чаще всего, приходится наносить удары по движущемуся мя­чу, которые выполнять гораздо труднее, чем по неподвижному. Необходимо учитывать направление и скорость приближения мяча, с тем, чтобы определить, по какой точке мяча, в каком направлении и с какой силой следует нанести удар. [1].

1.2 . Остановка мяча.

В футболе прием (остановка) мяча достигается амортизирующим движением определенной части тела, а также накрыванием мяча стопой, голенью. Интенсивность игры, скоростные действия игроков, не позволяют игрокам при приеме мяча полностью его останавливать. Основной механизм действия игрока при приеме летящих на различной высоте и с различной скоростью мячей почти всегда одинаков. При приближении мяча туловище отводится назад, уступающее движение с поворотом туловища дает возможность игроку принять мяч и сразу перевести его в сторону.[1],[2],[7].

1.3. Моделирование процессов.

Реальные явления окружающего мира чрезвычайно сложны. Физика базируется на моделях объектов материального мира. В процессе изучения и описания реальных объектов человек вынужден упрощать их свойства, замещать реальные объекты моделями. «Моделирование - воспроизведение и исследование на модели процессов, имеющих одинаковую природу с процессами, происходящими в реальных объектах» [3].

В районе ежегодно проводятся соревнования по футболу. В нашей школе есть секция футбола, команда школы принимает участие в соревнованиях. Учитель физкультуры, болельщики ждут от команды хороших результатов, игроки желают побеждать соперников. Для достижения высоких результатов нужно не только тренироваться, отрабатывая необходимые навыки, еще необходима теоретическая подготовка, понимание сути футбольных приемов и финтов, нужно посмотреть описание финтов в книгах, в интернете.

Глава 2.Практическая часть.

Смоделируем ситуации, встречающиеся на футбольном поле, исследуем удары по мячу на примере соударения двух шариков. Подберем необходимое оборудование, проверим теоретические утверждения на опыте, выполним измерения, обобщим результаты, сде­лаем выводы.

Условимся считать, что шарики 1 и 2 -это мячи, шарики 3 и 4 - это нога футболиста.

Учтем, что физическая подготовка спортсменов может быть разной, в том числе мышцы ног могут быть более или менее натренированы, мышечная масса ног может быть различна, поэтому шарики 3 и 4 имеют разную массу. По правилам, в футбол играют мячом определенной массы, [1], но это требование в «дворовом» футболе соблюдают не всегда, масса мяча может увеличиться из-за сырого поля, поэтому шарики 1и 2 имеют разную массу. Массы шариков измерили на весах.

1 опыт. Представим, что футболист бьет по неподвижному мячу.

Оборудование: штатив, желоб, шарики различной массы

Поэтому шарики m₁ и m₂ были неподвижны; шарики m₄ и m₃ поочередно скатывали с некоторой высоты, чтобы им придать скорость на горизонтальной поверхности,[4],затем шарики (мячи и футболист) сталкивались. Каждый опыт проводили 5 раз. Выводы из опытов: иcходя из законов сохранения импульса

m₁×v₁+m₃×v₃=m₁×u₁+m₃×u₃

и энергии

m₁×(v₁)²/2+ m₃×(v₃)²/2=m₁×(u₁)²/2+m₃×(u₃)²/2

получаем, что скорости тел после взаимодействия:

при столкновении тяжелого шарика с неподвижным шариком меньшей массы, дальность проката и скорость легкого шарика после удара больше, а для более тяжелого шарика дальность проката и скорость заметно меньше.

Следовательно: при игре легким мячом мяч может вылететь за пределы поля, контроль над мячом будет потерян. Если мяч тяжелый для футболиста, то дальность паса (длина передачи) заметно уменьшается. Опыт 2. Представим, что футболист неподвижен, навстречу ему по полю катится мяч с некоторой скоростью.

Оборудование: штатив, желоб, шарики различной массы.

Для этого скатывали шарики m₂ и m₁ ( мячи) с определенной высоты, чтобы им придать скорость, затем шарики сталкивались с футболистом, (шариками m₄ и m₃ ).Шарики разлетаются в разные стороны после столкновения. Летящий мяч обычно всегда обладает большей скоростью, чем катящийся по полю мяч. [1],[2]. Для увеличения скорости шариков увеличили высоту скатывания, вновь измеряли расстояние, на которое откатывались шарики после столкновения [4].

Выводы из опыта: при большей массе m_{2 (}мяча) смещение шарика m₃ (футболиста) увеличивается. Следовательно, если масса и скорость мяча значительны, то футболист после удара может потерять равновесие, сместится из начального положения, контроль над мячом будет потерян, особенно при меньшей массе футболиста и тяжелом мяче. Игроку необходимо учитывать скорость приближения мяча, чтобы определить, с какой силой следует нанести удар по мячу и контролировать ситуацию на поле.

Выводы из опытов: после удара по мячу «с разбега» футболист не может мгновенно остановиться, продолжает двигаться в прежнем направлении какое-то время, (шарики двигаются в одну сторону, «футболист» толкает перед собой «мяч»). Анализ полученных результатов согласуется с требованиями использовать в игре мяч нормированной массы. Для успешной игры в футбол необходимо прокачивать ноги, наращивать мышечную массу голени и бедра. Наиболее сильные удары получаются в тех случаях, когда они наносятся по движущемуся навстречу мя­чу. [2],[7].

Опыт 3. Исследуем, от чего зависит дальность полета шарика.

Оборудование: штатив, баллистический пистолет, линейка.

Смоделируем процесс удара по мячу под разными углами. Для этой цели закрепим пистолет и будем изменять угол наклона ствола пистолета к горизонту, использовать для выстрела шарики разной массы. Измерим дальность полета шарика при различных углах наклона. Если подобрать диаметр шарика, примерно равный диаметру ствола, то направление удара пройдет через центр тяжести шарика, удар будет центральным или как принято говорить в футболе, прямым.

Вывод из опыта: наибольшая дальность полета шарика при угле α=45⁰. При меньшей массе шарика дальность полета увеличивается в каждом опыте, наибольшая дальность так же при угле вылета α= 45⁰. Следовательно: при необходимости выполнить длинную передачу мяча угол вылета должен быть

40—50° [1] [7], результаты опыта согласуются с теоретическими утверждениями о наибольшей дальности полета.

3.3.Резаный удар - это удар, направление которого проходит в стороне от центра тяжести мяча.

Опыт 4.Смоделируем резаный удар на другом опыте.

Оборудование: штатив, желоб, шарики различной массы

Возьмем шарики m₁ и m₄, шарик m₁(мяч) установим на краю лотка таким образам, чтобы линия удара шарика m₄ (ноги футболиста) была направлена мимо центра первого шарика. Затем будем скатывать больший шарик с некоторой высоты, отмечая на столе траекторию шарика m₁, измеряя величину отклонения L₁ от линии прямолинейного полета.[4].

Вывод из опыта: отклонение шарика m₁ от прямолинейного движения заметно, результаты опыта подтверждают отклонение мяча при косом ударе.

Опыт 5.Демонстрация остановки мяча.

Оборудование: штатив, желоб, шарики различной массы, пружины различной жёсткости

Шарик скатывался по желобу с некоторой высоты, затем на горизонтальном участке желоба сталкивался с пружиной. В ходе эксперимента использовались пружины разной массы и жесткости. В ходе опыта пытались пронаблюдать и замерить сжатие пружины, замерить расстояние отката шарика и пружины после столкновения. После столкновения с тяжелой пружиной у шарика резко уменьшалась скорость, шарик проталкивал пружину вперед на 2см (на 3,5см более легкую пружину), отталкивался от пружины, откатывался назад на несколько см. При использовании пружины меньшей массы шарик проталкивал ее вперед и останавливался. В теории футбола по остановке мяча говорится, что при приближении мяча туловище отводится назад, совершается уступающее движение туловища.

Определяем жесткость пружин:

F_{тяжести}=m×g ; F_упр.=k×∆x Силы равны получаем

формулу для жесткости: k= m×g/∆x

Для 1пружины m=2кг ; ∆x=7см ; k=280Н/м.

Для 2 пружины m=0.2кг; ∆x=2.5см; k=78.4Н/м.

Рассчитаем скорость и деформацию пружин при взаимодействии с шариком.Из закона сохранения энергии k×∆x²/2=m×v²/2 получаем формулу для деформации:

∆x=

Для 1 пружины: k=280Н/м; m=93г=0,093. ; v=2,4м/с ;

∆ x==0,044м.

Для 2 пружины: k=78,4Н/м; m=93г=0,093кг; v=2,4м/с ;

∆ x==0,083м.

Вывод из практической части работы: в процессе подготовки и проведении опытов было выполнено много измерений, футбольные ситуации смоделировать удалось. В опытах проводились измерения; есть фотографии выполнения части опытов. На опытах подтвердились многие теоретические утверждения по постановки ударов по мячу.

Глава3. Тест Маргариа для определения мощности спортсмена.

Человеческий организм располагает 639 различными мускулами. Учитывая возможности перемещения корпуса тела, головы и конечностей, человек с помощью мускулов мог бы совершать 107 различных движений, т. е. имел бы 107 степеней свободы движения.

Однако реализовать одновременно все степени свободы нельзя. Космонавт в условиях невесомости и без скафандра может распорядиться 39 степенями свободы, в то время как в скафандре - лишь 36. От числа степеней свободы, которые человек может реализовать, зависит ловкость, с которой он управляет своим телом.

Тренируясь с целью овладения большим количеством степеней свободы движения, футболист приобретает техническое преимущество над менее подготовленным соперником.

Поскольку, в мускулах человека происходит прямое преобразование химической энергии в механическую то мускулы имеют высокий КПД — порядка 80-90 %, что значительно выше КПД тепловых машин (30-45%).

Но КПД всего организма составляет лишь 20 %, поскольку его величину снижают малоэффективные процессы в желудке.

Мы решили выяснить с помощью измерений и расчёта - чья мощность больше? Максимальная мощность спортсмена определяют несколькими тестами, например: лестничный тест Маргариа.

В лестничном тесте Маргариа спортсмены разбегаются около 6 м и за­тем забегают вверх по ступенькам лестницы.

Фиксируется время забегания спортсмена на определенную высоту. В этом случае по формуле можно определить мощность, которую развил спортсмен:

N = (h × m × g) / t,

где h - высота подъема (м), m - масса спортсмена (кг), t - время забегания до необходимой высоты (с), g=9,8м/с ² - ускорение свободного падения.

Например, для Амонулоева Нигмата h=2м,m = 61кг , t = 1,89 с, то­гда

N = (2 × 61×9,8 )/1.89 = 632,6 Вт.

Рассчитываю мощность футболистов средней группы по данной методике:

Ф.И.	Возраст	h (м)	m (кг)	t (с)	N (Вт)
Амонулоев Н.	16	2	61	1.89	632.6
Карабаджаков И.	12	2	49	2.1	457.3
Косо-Оглы А.	15	2	53	1,93	538.2
Купряжкин М.	15	2	58	2.58	440.6
Лапыгин А.	12	2	29	2.25	252.6
Малин В.	15	2	46	2.39	377.2
Толибов Б.	15	2	62	2.38	510.6
Эргешев А.	15	2	68	2.4	555.3

По результатам теста можно выделить ребят, обладающих высокими скоростно-силовыми качествами .

Таковыми являются: Амонулоев Н., Карабаджаков И.,Косо-Оглы А. ,Купряжкин М., Толибов Б., Эргешев А..

Глава 4. Штрафной удар бразильца Роберто Карлоса.

Истинные болельщики наверняка помнят штрафной удар бразильца Роберто Карлоса на турнире во Франции летом 1997 года. Мяч был установлен примерно в 30 м от ворот соперников, ближе к правому краю поля. После удара Карлоса мяч полетел далеко в правую сторону, облетел «стенку» в метре от нее. После этого чудесным образом мяч повернул влево и влетел в правый угол ворот – к изумлению игроков, вратаря и представителей СМИ.

Как объяснить этот трюк с точки зрения физики? Первое объяснение боковому отклонению вращающегося предмета было дано немецким физиком Густавом Магнусом в 1852 году.

Поток воздуха на поверхности мяча превращается из турбулентного в ламинарный.

Ламинарное течение (сложное) - если вдоль потока каждый выделенный тонкий слой скользит относительно соседних, не перемешиваясь с ними.

Турбулентное (вихревое) - если вдоль потока происходит интенсивное вихреобразование и перемешивание газа (жидкости).

Ламинарное течение газа наблюдается при небольших скоростях его движения.

Рассмотрим движение твёрдых тел (мяча) в газе, в частности тех сил, с которыми газ действует на движущееся тело.

В газе на мяч действуют две силы, одна из которых направлена в сторону , противоположную движению мяча (в сторону потока) – лобовое сопротивление, а вторая - перпендикулярна этому направлению – подъёмная сила.

В результате медленно летящий футбольный мяч подвергается воздействию относительно высокой силы торможения. Но если ударить по мячу достаточно быстро, чтобы воздушный поток вошел в турбулентный режим, тормозящая сила будет незначительной, но возрастёт подъёмная сила. Подъемная сила тянет мяч вверх и вбок, что вызывает эффект Магнуса.

Но в 1976 году Питер Бирман и его коллеги из Имперского колледжа в Лондоне провели серию классических экспериментов с мячами для гольфа. Они обнаружили, что увеличение скорости вращения мяча увеличивает подъемную силу а, следовательно, и силу Магнуса. На медленно летящий, но быстро вращающийся футбольный мяч будет действовать бóльшая отклоняющая сила, чем на быстро движущийся мяч, вращающийся с такой же скоростью. По мере замедления полета мяча в конце траектории кривая полета становится более ярко выраженной.

Как объяснить штрафной удар Роберто Карлоса?

Карлос ударил по мячу внешней стороной левой ноги, чтобы придать мячу вращение против часовой стрелки. Поле было сухим, поэтому скорость вращения оказалась большой, возможно, более 10 оборотов в секунду. Сильный удар внешней стороной ноги позволил придать мячу значительную скорость - свыше 30 м/с. Поток воздуха над поверхностью мяча был турбулентным, что привело к относительно низкому уровню лобового сопротивления. Где-то через 10 м полета (т.е. недалеко от стенки соперников) скорость мяча снизилась настолько, что он перешел в ламинарный поток. Это существенно увеличило силу сопротивления, которая еще больше замедлила полет мяча и, в свою очередь, увеличила боковую силу Магнуса, «загибающую» траекторию мяча в направлении ворот.

Предположим, что скорость мяча составляет 25-30 м/с, а скорость вращения - 8-10 об/с. Тогда подъемная сила оказывается равной примерно 3,5 Н. Поскольку согласно правилам ФИФА масса мяча должна быть равной 410-450 г, его ускорение составляет 8 м/с². А так как мяч за секунду пролетит 30 метров, то подъемная сила может заставить его отклониться на целых 4 м от обычной прямой линии – вполне достаточно, чтобы вратарю стало не по себе!

Так что на интуитивном уровне лучшим вратарям приходится понимать в физике гораздо больше, чем кажется, на первый взгляд!

И еще: обычно, чем талантливее человек, тем быстрее он мыслит; это качество важно и в футболе: от быстроты реализации возникшей у футболистов в ходе игры идеи нередко зависит исход состязания. А значит чемпионы футбола – это талантливые люди. Таким образом, футбол - игра не только атлетическая, но и интеллектуальная, требующая больших знаний в области физики! Играйте в футбол и хорошо учитесь в школе, и тогда про вас обязательно скажут - он талантливый человек! Желаем успехов и здоровья!

Заключение

Нужна ли физика футболисту? Нужно ли учитывать физические законы и правила при постановки удара по мячу? Выводы из опытов убеждают, что это необходимо. Эксперименты по изучению дальности полета шарика в зависимости от угла наклона ствола пистолета показали, что наибольшая дальность полета шарика достигается при угле 45⁰, этот вывод многократно подтвердился на тренировках. Выполняя упражнения для совершенствования силы и точности ударов, на тренировках футболист должен попасть мячом в определенную цель, отрабатывать навык поднятия мяча на определенный угол, в футбольной практике дальность полета мяча наиболее актуальна. В дальнейших исследованиях можно рассчитать высоту подъема шарика в зависимости от угла вылета. На тренировках футболисты учатся выпол­нять отдельные приемы и их сочетания, уровень технической подго­товки игроков определяется той легкостью, непринужденностью, быстротой и точностью, с которой игроки выполняют всевозможные приемы в игре. Нередко исход матча мо­жет быть решен грубой технической ошибкой или, наобо­рот, точным завершающим уда­ром по воротам соперника. В современной игре, по какому бы тактическому пла­ну не играли команды, техническое мастерство чрезвычайно необходимо, понима­ние существа приема, учет теоретических обоснований ускоряет процесс его освоения и во многих случаях позволяет избежать различных ошибок.[8].Техническое мастерство совершенствуется тренировками, теоретические обоснования изложены в учебниках по физике. Поэтому знание законов механики (физики) футболисту необходимо. В ходе исследования было проделано много опытов, совершенствовались навыки физического эксперимента, это пригодится на уроках, приобретенные знания будут применяться при игре в футбол.

Список литературы:

1. С.Н. Андреев, Э.Г.Алиев «Мини-футбол в школе» М.:Советский спорт, 2006г.

2. С.Н. Андреев, В.А.Мутко, Э.Г.Алиев «Мини- футбол игра для всех» М.:Советский спорт, 2007г.

3.А.В.Брюханов,Г.Е.Пустовалов, В.И. Рыдник «Толковый физический словарь» М.; «Русский язык», 1988г.

4. «Физический практикум .Дидактический материал: 9-11 кл.

Под ред. Ю.И. Дика, О.Ф. Кабардина.- Москва.: Просвещение, 1993.

5. Интернет-энциклопедия Википедия

6. сайт physics.ru/

7.http://www.kakprosto.ru/

8. www.studmed.ru/.Лясковский К.П. «Техника ударов»

Приложение.

19