تعامل علم و ورزش

نگاهی به بهره ورزشکاران از قوانین فیزیک

فوتبالیستی را در نظر بگیرید که هنگام ضربه زدن به توپ فقط از عضلات دو قلوی پای خود استفاده می کند. این فوتبالیست هنگام ضربه زدن به توپ از دو عضله استفاده می کند و اگر قدرت وارد کردن انرژی این دو عضله را ۱۰۰نیوتن در نظر بگیریم توپ او با سرعت مثلا۴۰ کیلومتر در ساعت حرکت خواهد کرد.حالافوتبالیست دیگری را در نظر بگیرید که هنگام ضربه زدن علاوه بر استفاده از عضلات ساق پای خود، از عضلات ران نیز استفاده می کند.

این شخص علاوه براینکه از عضلات بیشتری استفاده می کند نیروی بیشتری را برروی توپ وارد می کند (۲۰۰نیوتن) در نتیجه سرعت توپ او با ۶۰ یا ۸۰کیلومتر در ساعت حرکت خواهد کرد و در نهایت شوت او برای دروازه بان حریف مشکل ساز خواهد بود.

می بینید که استفاده بسیار ساده و پیش پا افتاده ای از علم فیزیک در مثال بالا یک فوتبالیست را از نظر قدرت شلیک توپ به حد بالایی می رساند. پس می توان نتیجه گرفت که علم در ورزش بی تاثیر نیست. برای توجه بیشتر مثال زیر را در نظر بگیرید: اسکی بازی را در نظر بگیرید که در حدود۶۰کیلو گرم وزن داشته و در مسابقه اسکی مارپیچ المپیک شرکت کرده است، قانون نیروی ثقل و وزن که در فیزیک به صورت تئوری در کتاب ها مطرح شده است این شخص را بر اثر نیروی کشش زمین و نیروی گرانش وطبق فرمول زیر نیروی خاصی را بر او وارد می کند واو را از کوه به سمت پایین می کشد ونیرویی که هر دو جرم را به سمت یکدیگر می کشاند نیروی گرانش نام دارد ونیز ربایش زمین را بر یک جسم، وزن آن جسم یا نیروی گرانش می گویند و می دانیم وزن با جرم فرق می کند نتیجتا وزن این اسکی باز طبق قانون زیر برابر است با ۶۰کیلو گرم ونیروی واردشده بر اوبرابراست با:

۶۰۰N=(n/kg)۱۰*(kg)۶۰=W

ورزشکار دیگری را در نظر بگیرید که وزن او اصطلاحا ۱۰۰کیلو گرم باشد و نیروی وارد شده بر او برابر است با:

۱۰۰۰N=(n/kg)۱۰*(kg)۱۰۰=W

نیرویی که شخص دوم را به پایین می کشد، حدودا۴۰۰نیوتن از نیروی شخص اول بیشتر است.در نتیجه سر عت نفر دوم نیز به مراتب بیشتر خواهد شد. بنابراین شانس موفقیت نفر دوم در صورتی که دارای فاکتورهای مشترک دیگر مثل داشتن اسکی هایی با کیفیت یکسان و غیره، برای پیروزی در مسابقه بیشتر است. اکنون که تا حدی به نقش علم فیزیک و تاثیر موثر بر ورزش آشنا شدید وقت آن است که شاخه های مختلف آن را بررسی کرده و نقش هر کدام را در ورزش روشن کنیم.

● پرتوهای نوری و قوانین شکست نوری

هنگامی که نور به یک محیط شفاف وارد یا از آن خارج می شود، ممکن است پرتو های نور شکسته شوند واثر های جالب و گاهی زیبا را پدید می آورند. مثلا اگر به یک سکه در ته لیوان نگاه کنید سکه بالا تر از محل واقعی خود به نظر می رسد. یا وقتی که یک قاشق را بطور مایل در لیوان آب فرو می برید آن را در محل ورود به آب شکسته می بینید. وقتی نور بطور مایل از یک محیط شفاف وارد محیط شفاف دیگری می شود، هنگام عبور نور از سطح جدا کننده دو محیط مسیر آن تغییر می کند. این پدیده را شکست نور می گویند. علت شکست نور اختلاف سرعت در دو محیط است اگر نور از خلا» وارد محیط شفاف شود و سرعت نور در خلا» و محیط را به ترتیب باCوVنشان دهیم، ضریب شکست عبارت خواهد بود از:

V C/=N

بیشترین کابرد این تکنیک در ورزش برای ساخت عینک های شنا و غواصی می باشد.

عینک غواصی در هوا دارای دید تار می باشند ولی در آب با اصل ضریب شکست توسط محیط آب دارای دید صاف و شفاف می شوند. روی این اصل شناگران با اینگونه عینک ها می توانند کف استخر را به خوبی ببینند.خط های سفیدی که در ته استخر کشیده می شوند باعث می شوند تا شناگران در مسیر خود قرار بگیرند وبه مسیر دیگر ورزشکاران وارد نشوند و با چشم غیر مسلح و با عینک مخصوص شنا این خط ها دیده نمی شوند. همچنین شناگران قادرند به خوبی با این عینک ها حریفان خود را زیر نظر داشته باشند.

● تجزیه پرتوهای نوری و رنگ های مختلف نوری وداستان عدسی ها

نور سفید به وسیله منشور می تواند تجزیه شود ومثل عینک های آفتابی و مه شکن و مخصوص برای رشته های اسکی، قایق سواری، موج سواری استفاده می شوند و نیز عدسی ها اشکالی هستند که جسم را نزدیک تر یا دورتر نشان می دهند.از این قضیه بیشتر در ورزش شکار استفاده می شود (ساخت دوربین های قوی)

▪ بازده زمانی

در بسیاری از موارد به جای دانستن لحظه شروع یک رویداد، نیاز به اندازه گیری مدت زمان آن رویداد داریم. مدت زمان بین شروع رویداد را با T۱ و لحظه پایان یک رویداد را با T۲ نشان دهیم، بازده زمانی برابرT۱-T۲ است که آن را باT نشان می دهیم T۱-T۲ =T این مسئله به صورت آشکار در ورزش هایی که نقش زمان وتایم گیری در آن مهم است مطرح می باشد. مثل ورزش دو، دو چرخه سواری و ورزش اسکی. البته در بیشتر این ورزش ها شروع حرکت یا T۱ با زمان صفرمحاسبه می شود و این ثبت زمان T۲ است که با کرنومتر های پیشرفته اندازه گیری می شود.

▪ نیرو

ما همواره بدون آنکه توجه کافی داشته باشیم، نیروهایی را که هل می دهند ومی کشند یا اجسام را به حرکت وا می دارند یا حرکت آنها را کند می کنند، به سهولت می توان شناخت. اما نیروهایی که در اجسام در حا ل تعادل، مثل اجسام ساکن وارد می شوند، کمتر آشکارند. نیرو به کمک اثر هایی که بر یک جسم می گذارند می شناسیم و توسط همین اثرها می توانیم توصیف کنیم. اثرهای نیرو عبارتند از: نیرو می تواند جسم را به حرکت وا دارد. نیرو می تواند عامل ترمز وایستادن جسم باشد. نیرو می تواند عامل مخرب باشد یعنی می تواند موجب فشرده شدن یا له شدن جسم شود. نیرو جهت جسم را نیز عوض می کند. نیرو می تواند ماهیت جسم را نیز عوض کند. نیرو می تواند جسم را خم کند یا بطور کلی تغییر شکل می دهد. نیرو می تواند اثر نیروهای دیگر را که بر یک جسم ساکن وارد می شوند را خنثی کند واز حرکت جسم جلوگیری کند نیرو می تواند سبب چرخش جسم شود. نیرو ها بر حسب اثرهای آن نام گذاری می شوند. نیروی مالش (اصطکاک)، نیروی کشش نخ، نیروی شناوری، نیروی کشانی و

در اینجا با بعضی از نیرو ها آشنا و نقش هر کدام را در ورزش بررسی می کنیم.

▪ نیروی گرانش

نیرویی که دو جرم مشخص بر یکدیگر وارد می نمایند را نیروی گرانش می گوییم. لذا به ربایش زمین بر یک جسم وزن آن جسم یا نیروی گرانش می گویند. در ورزش این نیرو گاهی مفید و گاهی مضر است. مثلا در ورزش اسکی این نیرو نقشی مثبت داشته و موثر است. اسکی که اصول اولیه آن بر پایه حرکت ورزشکار با اسکی از کوه به سمت پایین است. نتیجتا هر اسکی باز که سنگین تر است، با سرعت بیشتری به سمت پایین کشیده می شود. طبق فرمول زیر:

W=جرم(n/kg)۱۰*(kg)

در نتیجه این نیرو برای ورزش اسکی مثبت و مفید است. ولی در ورزش پرش ارتفاع که ورزشکار با پریدن از سطح زمین انرژی خود را صرف غلبه برنیروی گرانش زمین می کند، طبق فرمول:

W=جرم*۱۰

این در خلاف جهت حرکت ورزشکار قرار دارد به عنوان نیروی مزاحم به حساب می آید. پس در رشته اسکی هر کسی که سنگین تر است سرعت بیشتری دارد وبر عکس در ورزش پرش ارتفاع هر کس که سبکتر است موفق تر خواهد بود وبهتر می تواند بپرد.

▪ نیروی کشانی

وقتی فنری را می کشیم یا فشرده می کنیم، فنر دست ما را می کشد یا می راند. به نیرویی که فنر کشیده یا فشرده اعمال می کند نیروی کشانی فنر می گوییم. این نیرو در ورزش کارایی چندانی نداشته، به جز در موارد خاص. در ورزش از این نیرو به صورت دستگاه های بدن سازی که با فنر های مخصوص کار می کند، استفاده می شود.

▪ نیروی اصطکاک

به نیروهای بین سطح تماس بین دو جسم که با سطح تماس موازیند وبا حرکت دوجسم بر روی هم مخالفت می کنند نیروی اصطکاک می گویند. این نیرو به جنس های سطح تماس و صافی وزبری آن بستگی دارد و متناسب با نیروی عمودی است که دو سطح تماس را به هم می فشارد. این نیرو در ورزش بسیار تاثیر گذار می باشد.این نیرو تاثیر خودرا به صورت مثبت و منفی می گذارد. یعنی اینکه این نیرو برای رشته های ورزشی هم مفید و هم مضر است.

مثلا در ورزش های: لوژسواری، شنا واسکی و... یک عامل مزاحم به شمار می رود. ولی در ورزش هایی مثل تنیس والیبال، فوتبال و نیروی اصطکاک عامل پایداری ورزشکار در سطح زمین به شمار می آید و در جهت مثبت فعالیت ورزشکاران قرار دارد. اصطکاک در عامل پایداری ورزشکار در سطح زمین به شمار می آید ودر جهت مثبت فعالیت ورزشکاران قرار دارد. اصطکاک در ورزش لوژسواری باعث می شود نیروی مزاحم وترمز کننده بین تیغه های لوژو یخ ایجاد شود ودر نتیجه از سرعت لوژسوار کاسته شود، برای رفع این مزاحمت مربیان و متخصصان تیم های ورزشی با ساخت تیغه هایی که کمترین سطح زبر را دارا می باشد (بسیار تیز و صیقلی) می باشد در زیر لوژهای ورزشکاران نصب می کنند. در ورزش اسکی که تماس بین کف اسکی و برف عامل ایجاد اصطکاک است و تا حدودی از سرعت ورزشکاران جلوگیری می کند،به صورت تجربی به اثبات رسیده که اگر ورزشکار واکس مربوط به هر برف (دمای برف معیار واکسها می باشد) را به ته اسکی خود بزنند اسکی با سرعت بیشتری به دلیل رفع نیروی اصطکاک بین کف اسکی و برف حرکت خواهد کرد. در ورزش شنا نیز نیروی اصطکاک بین آب وبدن شناگر عامل مزاحمی برای سرعت او محسوب می شود. اینگونه مشکلات را که می توانند مانعی برای رسیدن ورزشکاران به سرعت ایده آل ومناسب باشند را فیزیک به آسانی حل کرده است. دانشمندان فیزیک با درست کردن لباس های شنا (مثل پوست فک ها که سطح اصطکاک را به میزان نسبتا زیادی پایین می آورند) باعث شدند عامل مزاحم نیروی اصطکاک در ورزش شنا به حداقل برسد و همین کشف تا حدودی رکود سرعت شنا را بالا برده است. در ورزش هایی مثل تنیس و والیبال که ورزشکار باید با پاهای استوار در سطح زمین به جابجایی بپردازد و بتواند خود را کنترل کند واز لیز خوردن در سطح صاف سالن جلوگیری کند حالتی کاملا بر عکس شنا واسکی وجود دارد به همین دلیل در این ورزش ها به نیروی اصطکاک بیشتر نیاز داریم و نتیجتا متخصصین وصاحب کارخانه های معروف کفش هایی ساخته اند که بتوانند نیروی اصطکاک بین کفش و زمین چندین برابر کند.

▪ نیروی مقاومت شاره

نیرویی که با حرکت جسم مخالف حرکت می کند نیروی مقاومت نامیده می شود. نیروی مقاومت هوا بر یک اتومبیل نمونه ای از این نیروست که با افزایش سرعت اتومبیل افزایش می یابد. علمی است در فیزیک که در آن نقش اصطکاک هوا وبرخورد غیر مفید هوا با ورزشکار یا وسیله نقلیه به کار گرفته توسط ورزشکار را به ما نشان می دهد از این علم برای شکل وسایل ورزشی و همچنین فرم تکنیکی ورزشکار به حالت مناسب آئرودینامیک استفاده می شود. وسایل ورزشی مثل دوچرخه، اسکی، لباس های ورزشی به نحوه ای طراحی می شوند که کمترین بر خورد با هوا را داشته باشند که اغلب دوچرخه سواران با این تکنیک روی دو چرخه قرار می گیرند برای اینکه برخورد هوا با ورزشکاران به حداقل برسد.

▪ نیروی ارشمیدس

به اجسام شناور یا غوطه ور در یک جسم نیرو به سوی بالا وارد می شود این نیرو بیشترین کارایی خودرا در ورزش های آبی مثل:شنا، واترپلو، قایق سواری دارد و از آن برای شناور ماندن بهتر بر سطح آب استفاده می شود.

● تکنیک چیست؟

تکنیک پیاده شدن اصول و مبانی مربوط به ورزش وانجام دادن حرکت درست وموثر مربوط به هر رشته ورزشی می باشد. تکنیک یعنی نشان دادن عملی مبانی تئوری که مربی یا آموزگار ورزش برای ورزشکار بیان کرده است.

تکنیک با علم فیزیک در ارتباط است. تکنیک زاییده شاخه های مختلف فیزیک می باشد. تکنیک یعنی به کار گیری فکر در ورزش. ورزشکار تکنیکی کسی است که زیرک و با هوش باشد و از فکر خود بهتر بتواند در ورزش استفاده کند. در ورزش بوکس یکی از تکنیک های مطرح و موثر این است که بوکسر ضربه هوک خود را از انتهای کتف وبا استفاده از چرخش کمر بر حریف وارد می کند.

در این تکنیک کوچک ولی مهم چند نکته علمی در مورد فیزیک نهفته است: ۱-هنگامی که بوکسر ضربه خود را به وسیله کتف باشوک می زند از اصل اهرم استفاده می کند تا بتواند نیروی بیشتری مضاعف برنیروی بازو و ساعد برحیف وارد کند.۲-چرخش کمر وایستادن روی پنجه پای عقب در هنگام ضربه هوک قانون برآیند نیروها را تداعی می کند. بوکسر توسط این چرخش یک نیروی مضاعف را بر نیروی بالاتنه می افزاید. در ورزش اسکی تکنیکی بنام شوس (حالت تخم مرغی) وجود دارد.

این تکنیک دقیقا با رفع نیروی شاره هوا به کار می رود.زیرا در این حالت اسکی باز حالت آئرودینامیکی موثر وزیبا را در بدن خود به نمایش گذاشته به سرعت خود می افزاید و با زمان کمتری مسافت را می پیماید.

● قوانین حرکت

بیشتر رشته های ورزشی بر اساس پیموده شدن مسافت برای ورزشکار با سرعت بیشتر سنجیده می شوند. مسابقه هایی مثل دوومیدانی، دوچرخه سواری، اتومبیل رانی و قایق رانی که در آنها ورزشکار مسافت تعیین شده را می پیماید سرعت در پیروزی ورزشکار عامل اصلی می باشد.

جهان پر از اجسامی است که نسبت به ما در حرکتند. حرکت و سرعت برخی از این اجسام که ساخته دست انسانند مانند: اتومبیل، دوچرخه ها، اسکی، لوژ، موتور، قابل کنترل اند و برای میادین ورزش به کار می روند ثبت واندازه گیری سرعت براساس واحد زمان مساوی است با برنده شدن.حرکت ها با همدیگر فرق می کنندحرکت بر روی خط (حرکت یک بعدی) نوعی حرکت ساده است ولی حرکت بر روی منحنی (حرکت دو بعدی) مانند حرکت بر مسیر دایره های پیچیده تر است.

قوانین حرکت در ورزش به صورت شتاب افزایش سرعت چگونگی برقراری تعادل در حرکت روی مسیر منحنی ترمزهای اضطراری وکلا افزایش رکود سرعت در واحد زمان نمایان شده است. سرعت عبارت است از: جابه جایی متحرک در واحد زمان.

مثال: در یک مسابقه شنای ۱۰۰متری شناگر طول ۵۰ متری استخررا در یک رفت و برگشت در مدت ۵۶ ثانیه پیموده است.

اگر بتوانیم سرعت شناگر را در سرعت رفت و هنگام برگشت جداگانه حساب کنیم ضعف او را در مسیر نشان داده ایم زیرا با افزایش و کاهش سر عت ضعف او نمایان خواهد شد.

زمان رفت ۲۷ثانیه زمان برگشت۲۹ثانیه

این ورزشکار در هنگام رفت سرعت بیشتری داشته است و هنگام برگشت سرعت او کم شده است. با یک فرمول ساده اما مهم مربی می تواند شاگردان خود را از نظر رفتار سرعتی در هنگام تمرین یامسابقه به خوبی کنترل کند ونکته های لازم را به موقع در مورد نحوه حرکت وسرعت ورزشکار به او بگوید وضعف ورزشکار را در مسیر ها بررسی کند.