XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Как забить пенальти, используя законы физики

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Медведев Ф.А. 1

---

1ГБОУ Лицей 280 им М.Ю. Лермонтова

Левинсон К.В. 1Ненов А.М. 2

---

1СПб ГБОУ «Лицей № 280 им. М.Ю. Лермонтова»

2Лицей 280 им. М.Ю. Лермонтова г. Санкт-Петербург

Работа в формате PDF

525.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Проблема

Пенальти – удар, специально назначаемый в футболе в качестве штрафа или наказания. Делается по воротам, защищаемым только вратарём, с расстояния 11 метров от линии ворот.

Пенальти также назначается в случаях, когда матч сыгран в ничью, то есть победитель не определен в основное и дополнительное время матча или когда игра идет на вылет, например, на Кубковых соревнованиях.

Пенальти - очень важный удар, который помогает увеличить счёт в матче. Если научиться забивать каждый пенальти, то команда будет непобедима.

Тренеры, которые учат детей забивать пенальти, не рассказывают о законах физики, которые помогают увеличить точность и дальность ударов. Поэтому я решил изучить этот вопрос и использовать эти знания в своей игре.

Актуальность

Я и многие мои друзья играем в футбол и болеем за команды нашего города и, конечно, за сборную России по футболу. Наша мечта, чтобы наши футболисты были лучшие в мире.

Если в систему тренировок футболистов добавить уроки физики и рассказывать о том, как использовать физику и математику в игре, то Россия точно станет чемпионом мира по футболу.

Цели и задачи исследования

Цель: изучить взаимосвязь физики и футбола

Задачи:

1. Изучить литературные и электронные источники по теме исследования

2. Выделить какие законы физики действуют на мяч во время пенальти

3. Экспериментально проверить действие законов физики на мяч

4. Сделать выводы о том, как применять их во время удара пенальти

Глава 1. Законы физики, которые действуют на футбольный мяч. Исследование литературы и интернет источников.

1. 1. Закон всемирного тяготения

Земля притягивает к себе все тела. Человек подпрыгнув опускается на Землю, яблоко с ветки падает на землю, Луна не улетает в космос, а вода не выливается из океанов благодаря тому, что все это притягивается к земле.

Закон всемирного тяготения — это одно из самых важных открытий в физике, которое описывает, как все тела во Вселенной притягиваются друг к другу. Этот закон был открыт великим ученым Исааком Ньютоном в 17 веке.

Закон всемирного тяготения гласит, что каждое тело во Вселенной притягивает каждое другое тело с силой, прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Это значит, что чем больше масса тела, тем сильнее оно притягивает другие тела. Например, наша Земля имеет очень большую массу, поэтому она притягивает все предметы к себе, в том числе и футбольный мяч!

Когда мы хотим забить пенальти, мы ставим мяч на отметку в 11ти метрах от ворот и пинаем его. Футбольный мяч, который имеет свою массу, начинает двигаться. Но даже когда мяч находится в воздухе, на него продолжает действовать сила тяжести, которая притягивает его к Земле. Это происходит благодаря закону всемирного тяготения.

Сила тяжести важна для игры в футбол. Она помогает контролировать полет мяча. Например, когда мы выполняем удар, мяч летит по параболической траектории (см. Рисунок 1) — сначала поднимается, а потом падает обратно на землю.

Рис.1

Закон всемирного тяготения играет важную роль, когда мы играем в футбол. Он помогает нам понять, почему мяч летит так, как он летит и предсказать траекторию полета мяча.

1. 2. 1 й закон Ньютона

Первый закон Ньютона, также известный как закон инерции, говорит о том, что объект находится в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью, если на него не действуют внешние силы.

Это значит, что футбольный мяч будет оставаться на месте, если мы по нему не ударим. А если мяч катится, он будет продолжать двигаться в том же направлении и с той же скоростью, пока на него не подействуют другие силы, например, сила трения или удар игрока.

Когда мы бьем мяч ногой, мы прикладываем силу, которая заставляет его двигаться. Мяч начинает катиться по полю или лететь в воздухе. Если бы не было травы и сопротивления воздуха, мяч продолжал бы катиться или лететь долго и быстро. Однако на поле есть трава, а в воздухе есть молекулы, которые создают трение. Это трение замедляет мяч, и он в конечном итоге останавливается и падает на землю из-за силы тяготения рассмотренной нами в предыдущей главе.

Понимание первого закона Ньютона помогает нам лучше понять, как ведет себя футбольный мяч во время пенальти, можно даже рассчитать скорость полета мяча и силу, которую нужно приложить к мячу, чтобы он точно долетел до ворот или чтобы придать мячу непредсказуемую для вратаря траекторию.

1. 3. 2 й закон Ньютона

Второй закон Ньютона является фундаментальным законом механики. Он гласит, что ускорение тела прямо пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально его массе.

Это можно выразить формулой:

а=F/m,

где a — ускорение, F — сила, m — масса.

Этот закон напрямую проявляется в футболе, когда игрок бьет по мячу. Сила удара ноги (F) сообщает мячу массы (m) определенное ускорение (a), что и заставляет его лететь.Когда игрок бьет по мячу, он прилагает силу к мячу ногой. Эта сила вызывает ускорение мяча, заставляя его двигаться в сторону ворот. Чем сильнее игрок ударит по мячу, тем большим будет его ускорение, и, соответственно, тем дальше он сможет его послать.

Однако результат удара зависит не только от величины силы(F), но и от того, как эта сила прикладывается.

Разные способы удара связаны с разной площадью контакта стопы с мячом, что влияет на распределение силы. Более всего известны 2 типа удара удар носком и удар боковой стороной стопы - “щечкой”

Удар носком
При ударе носком площадь соприкосновения мяча и стопы мала. Вся сила удара концентрируется на небольшом участке мяча. Теоретически это создает большое давление в точке контакта. В результате мяч должен получить большое начальное ускорение и лететь быстрее и дальше.

Удар внутренней стороной стопы («щечкой»)

Когда игрок бьет «щечкой», площадь соприкосновения стопы с мячом является большой. Сила удара распределяется по значительной поверхности мяча. При большой площади контакта давление уменьшается и согласно второму закону Ньютона ускорение будет меньше и мяч полетит медленнее и не так далеко.

Таким образом, второй закон Ньютона объясняет, почему разные техники удара приводят к разным результатам. «Щечка» обеспечивает точность за счет распределения силы, а носок — мощь за счет ее концентрации. Знание этого закона помогает понять, какую технику удара лучше применить в той или иной игровой ситуации.

1. 4. 3 й закон Ньютона

Третий закон Ньютона говорит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие: если тело A действует на тело B с определенной силой, то тело B действует на тело A с равной и противоположной силой.

Это означает, что когда футболист бьет по мячу, мяч оказывает такое же влияние на ногу футболиста.

По третьему закону Ньютона, мяч также действует на ногу футболиста с такой же силой, но в противоположном направлении. Именно поэтому футболисты носят плотные бутсы.

Глава 2. Экспериментальная часть. Проверка действия второго закона Ньютона

2. 1. Цели и задачи эксперимента

Цель эксперимента

Проверить действие 2ого закона Ньютона на футбольный мяч в условия лаборатории и на поле.

Задача эксперимента

Сравнить силу удара по футбольному мячу, выполняемого носком и «щечкой» (внутренней стороной стопы), и проверить, подтверждается ли на практике теоретическое предположение о том, что удар носком приводит к большему ускорению мяча из-за большей концентрации силы на малой площади.

2. 2. Гипотеза эксперимента

При технически отработанном ударе, удар носком будет сильнее, чем удар боковой стороной стопы “щечкой”

2. 3. Описание эксперимента

2. 3. 3. Методы и материалы

Л
абораторное исследование

2 маятника: маятник - мишень (мяч) и маятник - “нога” в виде шайбы

Полевое исследование

М
яч, бутсы, измерительная рулетка и футболист

2. 3. 3. Ход эксперимента

Лабораторное исследование

В лаборатории я провел серию опытов с маятниками.

Серия 1

Маятник мяч висит неподвижно, а маятник- “ногу” я отводил на разное расстояние. При этом шайба была повернута узкой (боковой, цилиндрической) стороной к мячу. После удара шайбой по мячу, я замерял отклонение мяча.

Результаты этой серии измерений представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Результаты измерений отклонения мяча при ударе носком

Серия 2.

Маятник мяч висит неподвижно, а маятник- “ногу” я отводил на разное расстояние. При этом шайба была повернута широкой (торцевой) стороной к мячу. После удара шайбой по мячу, я замерял отклонение мяча.

Результаты этой серии измерений представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Результаты измерений отклонения мяча при ударе “щечкой” (в градусах)

Полевое исследование

Для проверки гипотезы в реальных полевых условиях, я провел 2 серии ударов на поле.

Я поставил мяч на исходную точку и выполнил 10 ударов носком и 10 ударов боковой стороной стопы. После каждого удара я замерял расстояние, на которое улетел мяч

Результаты замеров представлены в Таблице 3.

Таблица 3. Сравнение дальности полета мяча после ударов носком и “щечкой” (в метрах)

Глава 3. Результаты экспериментов и их обсуждение.

Лабораторное исследование

В лабораторных условиях была проверена зависимость силы удара от площади соприкосновения. Для этого использовалась модель из двух маятников: маятник-мишень (футбольный мяч) и маятник-"нога" (шайба, имитирующая стопу футболиста).

Серия 1: Удар "носком" (узкой стороной шайбы)
При увеличении угла отклонения маятника -"ноги" с 20° до 30° среднее отклонение мяча возросло с 57,3° до 71,0°. Это свидетельствует о том, что с ростом силы удара "ноги" увеличивается и дальность отклонения мяча.

Серия 2: Удар "щечкой" (широкой стороной шайбы)
При тех же углах отклонения "ноги" (20°–30°) среднее отклонение мяча составило от 54,1° до 67,3°, что в среднем на 5–7% меньше, чем при ударе "носком".

Обсуждение лабораторного эксперимента:
Результаты подтверждают, что при одинаковом начальном угле отклонения маятника-"ноги" удар узкой стороной (модель удара носком) придает мячу большее ускорение. Это согласуется со вторым законом Ньютона

a=F/m

при одинаковой массе мяча большее ускорение означает большую приложенную силу. Концентрация силы на меньшей площади ("носок") приводит к более эффективной передаче силы.

Полевое исследование

В полевых условиях проводилось сравнение дальности полета мяча при ударах "щечкой" и "носком". Результаты замеров представлены в таблице:

Обсуждение полевого эксперимента:
Средняя дальность полета мяча при ударе "носком" составила 28,16 м, что на 4,88 м (21%) больше, чем при ударе "щечкой" (23,28 м). Это подтверждает гипотезу о том, что удар носком является более мощным. Разница объясняется тем, что при ударе носком сила концентрируется на малой площади, что приводит к большей начальной скорости мяча.

Выводы

Проведенные эксперименты подтвердили гипотезу исследования.

1. Лабораторный опыт наглядно показал, что при одинаковой энергии удара узкая площадь контакта ("носок") сообщает мячу большее ускорение.

2. Полевые испытания доказали, что удар носком обеспечивает значительное преимущество в дальности полета мяча по сравнению с ударом "щечкой".

Таким образом, технически отработанный удар носком действительно является более сильным, что важно для выполнения дальних передач и ударов по воротам в футболе.

Список использованной литературы

1. Иванов А.К., “Футбол глазами физика”, “Физика в школе”, 2015, №5,

2. Понятов А., “Причудливый полёт мяча”, «Наука и жизнь» 2018, №6,

3. Понятов А., Герман Ф., “Футбольный мяч: история с геометрией”, «Наука и жизнь» 2018, №4,

4. Интернет-энциклопедия Википедия

5. сайт physics.ru

6. Ильенко К., Дьяков П., «Моделирование полёта футбольного мяча», Краевая научно-практическая конференция учебно-исследовательских и проектных работ учащихся 6-11 классов

7. РудаковР.Н., ПодгаецР.М., «УДАР ПО СПОРТИВНОМУ МЯЧУ», Российский журнал биомеханики, 2005, том 9, № 4: 67-75