Už jste někdy hodil míč kamarádovi přes dvorek? Provádíte složité výpočty, aniž byste si to uvědomovali. Váš mozek bere v úvahu vzdálenost, odpor větru a hmotnost míče. Čím dále je cíl, tím větší je potřeba síly nebo strmější úhel. To se děje automaticky. Říkáme tomu instinkt, ale je to čistá fyzika.
Fyzika je studium fyzického světa. Pro americký fotbal je relevantní obor mechanika, která studuje pohyb a jeho příčiny. Této oblasti dominují tři kategorie:
- Let fotbalového míče vzduchem
- Běžci na hřišti
- Zastavení běžců na hřišti
Víkendový zápas nabízí víc než jen statistiky. Demonstruje základní principy letu míče, pohybu hráče a síly při zdolávání. Tato analýza zkoumá, jak tyto zákony formují sport.
Hod fotbalovým míčem
Jak roztočení pramice mění jeho trajektorii
Míč visí ve vzduchu. Gravitace ho táhne dolů, ale setrvačnost ho tlačí dopředu. Toto napětí vytváří oblouk. Je to stejná fyzika za šípem nebo střelou, ale ve fotbale tomu říkáme balistický pohyb.
Když sázkař zasáhne míč, nemíří jen na cíl. Manipuluje se třemi proměnnými:
- Rychlost odjezdu
- Úhel dopadu
- Rotace
Tento poslední faktor je důležitější, než si většina příležitostných fanoušků uvědomuje. Kop end-over-end je tažen vzduchem. Rychle ztrácí rychlost. Pevná cívka protíná vítr s menším odporem. Žije déle. Více času ve pauze. Větší vzdálenost. Rozdíl mezi dovolaným puntem na vaší 30yardové linii a dorovnaným na soupeřově 10yardové linii je často ten spin.
Proč úhel určuje rozsah a výšku
Kontaktní úhel rozdělí rychlost míče na dva samostatné vektory. Horizontální. Vertikální.
Tvrdě udeřte a obětujete vzdálenost za výšku. Míč stoupá, vznáší se a pak klesá jako kámen. Vysoká doba odpružení, krátký dosah. Udeř na rovinu a stane se opak. Míč klouže. Rychle urazí vzdálenost, ale ve vzduchu se dlouho neudrží.
Tady funguje mozek sázkaře. Pozice na hřišti určuje kompromis. Musíte porazit soupeře. Chce to čas. Potřebujete pokrytí. Fyzika se nestará o vaši strategii, ale podřizuje se vašim vstupům.
Hráč provádějící pokutový kop čelí užší, přísnější verzi tohoto. Míč často dosáhne své maximální výšky dříve, než vůbec dosáhne sloupků. Minete toto okno o zlomek stupně a míček selže. Geometrie chyby neodpouští.
Základní fyzikální pojmy pro fanoušky
Nepotřebujete maturitu, abyste pochopili, proč pramice odskočila. Ale znalost terminologie pomáhá číst hru.
Zrychlení vyjadřuje, jak rychle se mění rychlost v průběhu času. Konečná rychlost mínus počáteční rychlost dělená časem. Jednoduchá matematika.
Síla je jen tlak. Mění rychlost nebo směr objektu.
Velocity (vektor) je rychlost s směrem. 20 mph na sever se liší od 20 mph na jih.
Rychlost (skalární) je jednoduše to, jak rychle se pohybujete. Bez ohledu na směr.
Klíčová čísla na poli
Fyzika je kvantitativní věda. Chcete-li skutečně porozumět rozsahu, podívejte se na nezpracovaná data sestavená Dr. Davidem Haasem ze Státní univerzity v Severní Karolíně. Toto jsou základní metriky pro standardní hru NFL:
- Hráč při plném sprintu dosáhne přibližně 22 mph (9,8 m/s)
- Typický linebacker váží přibližně 220 lbs (98 kg)
- Ofenzivní pochůzkář má v průměru asi 300 liber (133 kg)
To nejsou jen statistiky. Toto jsou hodnoty hmotnosti a rychlosti, které jdou do každé kolize na hřišti.
Matematika pro udržení vzduchu a maximální výšku na pramici
Je nemožné oddělit fyziku velkého pramice od geometrie paraboly. Chcete-li zjistit dobu zadržení vzduchu, maximální výšku a vzdálenost pramice, potřebujete dvě počáteční proměnné: počáteční rychlost (V ) od nohy a úhel startu (theta ). Odtud se rychlost dělí na vertikální a horizontální složku.
Vertikální složka (Vy ) používá sinus úhlu:
Vy = V sin(theta)
Horizontální složka (Vx ) používá kosinus:
Vx = Vcos(theta)
Jakmile to máte, zbytek je jen algebra.
Jak vypočítat čas zpoždění a vzdálenost
Celkový čas ve vzduchu (t_total ) závisí na tom, jak tvrdě míč zasáhnete. V metrických jednotkách t_total = 2Vy / g, kde g je 9,8 m/s². Pokud pracujete ve stopách za sekundu, vzorec podvodného listu vypadá takto: t_total = 0,204 Vy.
Proč je to důležité? Protože právě doba zpoždění ve vzduchu zachraňuje život ochranné skupiny. Čím déle je míč ve vzduchu, tím méně času má punt returner k získání yardů, zatímco obránci dokončí svou práci.
Maximální dosah (x_max ) je jednoduše horizontální rychlost vynásobená dobou setrvání ve vzduchu:
x_max = Vx × t_total
Míč dosáhne svého nejvyššího bodu přesně v polovině svého letu. Tentokrát je:
t_1/2 = 0,5 × t_total
Maximální výška (y_max ) se získá dosazením tohoto středového bodu do rovnice svislé polohy:
y_max = Vy(t_1/2) – 0,49(t_1/2)²
Proč je 30stupňový náraz standardem
Uvažujme pramici rychlostí 90 stop/s (27,4 m/s) pod úhlem 30 stupňů.
Vx je 23,7 m/s. Vy je 13,7 m/s.
Doba zpoždění ve vzduchu je 2,80 s.
Dosah dosahuje 72 yardů (66,4 m).
Vrchol míče je 59,7 stop (18,2 m).
Toto je pracovní bod. Spolehlivý. Dostatečně hluboký na zachycení míče. Ale ne tak vysoko, aby navrátilec čekal věčně.
Ale co se stane, když změníte úhel?
Porovnání úhlů dopadu: 45 vs. 60 stupňů
Udržujte stejnou rychlost 90 stop/s, ale nakloňte povrch nohy pod úhlem 45 stupňů.
Doba zpoždění ve vzduchu se zvýší na 3,96 s.
Dosah se zvyšuje na 84 yardů (76,8 m).
Maximální výška stoupá na 120 stop (36,5 m).
To je maximální vzdálenost, kterou lze při této rychlosti fyzicky dosáhnout. 45 stupňů je ideální bod pro čistý dosah ve vakuu.
Nyní zkuste 60 stupňů. Stejná rychlost. Mnohem strmější úhel.
Doba zpoždění ve vzduchu se zvýší na 4,84 s.
Vrchol míče je 179 stop (54,5 m).
Ale dosah opět klesá na 72 yardů (66,3 m).
Vidíte ten kompromis? Strmější úhly vám poskytnou čas a výšku. Obětují dosah. Kicker mířící na 60 stupňů se nesnaží kopnout daleko. Snaží se přirazit míč blízko brankové čáry nebo si vynutit návrat v nepříjemném úhlu. Míč plave. Visí ve vzduchu. Tak daleko neletí.
Úder pod úhlem 45 stupňů maximalizuje vzdálenost. Úhel 30 stupňů maximalizuje stabilitu. Úder pod úhlem 60 stupňů maximalizuje dobu zadržení vzduchu.
Neexistuje jediný „nejlepší“ úhel. Záleží na tom, kde je scrimmage line a co musí defenzivní tým udělat. Pokud chcete 75 yardový punt, zaměřte se na 45 stupňů. Pokud potřebujete zabít čas a přišpendlit vratič, zamiřte na 60 stupňů. Matematika nelže. Čeká jen na vás, abyste si vybrali ten správný problém k vyřešení.
Proč se zadní strany seřadí na okraji?
Podívejte se, odkud začínají záda. Ofenzivní a defenzivní zadáci se vzdalují od scrimmage line a lemují těžké hráče. Proč? Potřebují prostor. Vlastně je čas.
Čárové nemají skoro žádné. Zasekli se za klapkou. Ale obránci mají prostor se rozběhnout. Křídlové přijímače toho mají ještě více. Čím více vzadu stojí, tím delší je vzdálenost zrychlení, aby dosáhli maximální rychlosti. Přijímač může dosáhnout nejvyšší rychlosti na hřišti, protože má na to nejvíce času. Linebacker je rychlejší než lineman. Pochůzkář je prostě… uvězněný v provozu.
Fyzika ostrých zatáček
Podívejme se na předávání míče. Běžící back přijímá snap, bere míč a spěchá doprava. Dosahuje rychlosti 22 mph (9,8 m/s) za dvě sekundy. Toto zrychlení je 4,9 m/s². Teď válí. Konstantní rychlost. Nulové zrychlení.
Pak vidí mezeru.
Zarazí nohu do země. Tady začíná násilí. Pohybuje se plnou rychlostí doprava a potřebuje tento pohyb zastavit a vytlačit se dopředu (směrem do pole). K tomu aplikuje sílu na trávník. Ale není to jen tím, že tlačí. Právě tření mezi jeho trny a trávou mu umožňuje měnit svůj vektor.
Bez tření se neotočíte. Kloužete se.
Sledovali jste někdy zápas v dešti? Podívejte se na běžce. Voda zabíjí koeficient tření. Síla mezi nohou a zemí klesá. Pokusí se zasunout nohu dovnitř, ale sevření je pryč. Ztrácí půdu pod nohama. On padá. Nejde jen o špatné podmínky. Právě fyzika sníženého tření znemožňuje zastavení bočního pohybu.
Řekněme, že trávník je suchý. Zastaví svůj pohyb doprava za 0,5 sekundy.
- Počáteční rychlost: 9,8 m/s
- Konečná rychlost: 0 m/s
- Čas: 0,5s
Toto zpomalení je -19,6 m/s². Negativní znamení? Zrychluje doleva.
Teď o síle. Jeho hmotnost je přibližně 98 kg (220 lb).
F = ma
F = (98 kg) (19,6 m/s²) = 1921 Newtonů.
Pojďme si to přeložit. 1921 N je přibližně 500 lbf. Tlačí na zem silou 500 liber, aby zastavila svůj vlastní boční impulsní pohyb.
Pak odstrčí. Do hry vstupuje třetí Newtonův zákon. Tlačí na trávník, trávník ho tlačí zpět. Rovné a opačné. Pokud dostane stejný tlak během 0,5 sekundy vpřed, vygeneruje stejnou sílu 500 liber, aby se vrhl vpřed. Žádný obránce v dohledu? Do hvizdu nebo dopadu je v maximální rychlosti.
Hybnost otevřeného pole
Jakmile je ve vesmíru, nese maximální hybnost.
Momentum (p) je hmotnost krát rychlost.
Pro naše záda vážící 98 kg při rychlosti 9,8 m/s:
p = mv
p = (98 kg) (9,8 m/s) = 960 kg m/s
Tady je háček. 125 kg (275 lb) lineman může mít přesně stejnou hybnost. Jak? Pohybuje se pomaleji. 7,7 m/s.
Nezáleží na tom, jestli jste těžký a pomalý nebo lehký a rychlý. Pokud je součin hmotnosti a rychlosti stejný, je „nárazová síla“ (oomph) stejná. To je důvod, proč může být lehčí přijímač stejně obtížné zvládnout jako objemný obránce, pokud dosáhne maximální rychlosti. Momentum je to, co musíte překonat, abyste se pustili do boje. Za mrtvicí je matematika.
Fyzika zastavení beck
Vše se řídí třemi zákony. Momentum, zákon zachování hybnosti a rotační pohyb. Ignorujte je a budete vyhozeni ze hřiště.
Představte si záda, která náhle změní směr. Pohybuje se s impulsem 960 kg m/s. Tento údaj není libovolný. To je produkt jeho hmotnosti a rychlosti. Abyste to zastavili, musíte tento impuls uhasit. Toho dosáhnete aplikováním hybnosti v opačném směru.
Hybnost je síla násobená časem. Jednoduchá matematika. Vysvětluje to ale, proč se pozdní zásah cítí jinak než přímý blok. Pokud se obránce vypořádá s running backem za 0,5 sekundy, požadovaná síla je:
F = impuls/t = (960 kg m/s)/(0,5 s) = 1921 N = 423 liber
To je obrovská vzpruha. Ale pokud zvýšíte dobu kontaktu, můžete snížit potřebnou sílu. Pokud prodloužíte dobu pádu, bude dopad měkčí.
Jak hybnost určuje, kdo se pohybuje
Nyní se podívejme na samotnou srážku. Pokud nezasahují žádné vnější síly, celkový impuls před nárazem se musí rovnat celkovému impulsu po nárazu. Zákon zachování hybnosti je pravidlem.
Zde máme co do činění s elastickou kolizí. Hráči se od sebe odrážejí. Nezůstávají přilepení. Rozvíjejí se tři scénáře.
- Stejná hybnost. Nosič míče a tackler mají stejnou hybnost. Dopředný tlak běžícího backu se shoduje se zadním tlakem obránce. V místě kontaktu se úplně zastaví.
- Běžec má větší hybnost. Vyhrává nosič míče. Hodí tacklera zpět. Hybnost tohoto zpětného pohybu se rovná rozdílu mezi jejich počátečními hodnotami. Běžec se osvobodí a zrychlí.
- Tackler má větší hybnost. Obránce vyhrává. Běžec je odhozen zpět. Jeho nový impuls se rovná rozdílu mezi impulsy dvou hráčů.
Skutečné útoky jsou jen zřídka čisté odrazové prostředky. Obvykle tackler chytne běžce. Zůstávají spolu. Jedná se o nepružnou kolizi. Stále platí obecná pravidla. Pokud byl běžec rychlejší, postupují vpřed oba společně. Pokud byl tackler rychlejší, oba se přesunou dozadu.
Ale rychlost klesá. Proč? Protože rozdíl v hybnosti je nyní rozložen na celkovou hmotnost obou hráčů, nejen na toho lehčího. Celková hmotnost je vyšší, takže rychlost je nižší.
Těžiště a moment síly
Při analýze mechaniky jsou důležité dva pojmy.
- Centrum hmoty je bod v rozložení tělesné hmoty, ve kterém lze veškerou hmotu považovat za koncentrovanou.
- Moment síly – síla mající tendenci způsobit rotaci nebo kroucení
Pochopení těchto pojmů mění způsob, jakým se náčiní stanoví. Pokud trefíte běžce nízko, působíte momentem síly kolem jeho těžiště. Pokusíte se ho otočit k zemi. Pokud ho trefíte vysoko, snažíte se zastavit jeho pohyb vpřed.
Fyzika se nestará o vaši helmu nebo chrániče. Jde pouze o hmotnost, rychlost a čas.
Mechanika rotace běžeckých nohou
Trenéři vtloukají tento koncept do hlav linebackerů a defenzivních beků, dokud se nestane druhou přirozeností: kopejte nízko, otočte nohy. Ve video promítací místnosti to zní jednoduše, ale fyzika procesu je složitá. Když zasáhnete běžce pod pásem, změní se reakční síla země. Nohy běžce jsou vyhozeny nahoru. Místo udržování rovnováhy a zrychlování vpřed se hybnost posouvá nahoru a dozadu. Nohy se otáčejí ve směru náčiní.
Nejde jen o to někoho srazit. Jde o to narušit jeho těžiště, než bude moci postavit nohu na další krok.
Proč nízké náčiní mění geometrii nátahu
Představte si, že běžící zpět jde do křídla. Pokud ho chytnete za hruď, absorbuje úder. Může klopýtnout, ale bude pokračovat v pohybu. Pokud se vrhnete na jeho tělo, budete bojovat s jeho kyčlí. Jste menší masa, která ve stejné výšce naráží na větší.
Ale co když pod něj vklouznete? Narazil jsi na jeho nohy. Páka je jiná. Horní část těla běžce se stále pohybuje vpřed, ale spodní část těla se náhle zastaví. To vytváří točivý moment. Nohy jdou nahoru. Běžec se převalí dopředu.
“Nedotýkáš se jeho těla. Bereš mu schopnost běhat.”
To je důvod, proč obranní koordinátoři zdůrazňují v technice „vysoké paže, nízké boky“. Pokud jsou vaše boky nahoře, jste krajní obránce, který řeší jiného obránce. Pokud máte boky dole, jste zápasník, který sráží někoho, kdo je dvakrát větší než vy.
Jak rotace nohou ovlivňuje vzdálenost
Okamžitý výsledek je minimální, ale kumulativní efekt je obrovský. Běžec, jehož nohy byly vytočeny, ztrácí půl kroku. Tento poloviční krok je rozdíl mezi ziskem 4 yardů a ziskem 2 yardů. To činí stovky yardů na zápas.
Týmy, které soustavně vyhrávají bitvu s nízkým nájezdem, zastaví spěch ve druhé polovině hry. Není to o tom, že hvězdný cornerback vyřadí někoho na brankové čáře. Jde o to, aby střední obránce zahnal krajního obránce do trávníku, zatímco jeho nohy létají vzduchem.
Kteří hráči nejvíce těží z této techniky?
Největší prospěch mají menší obránci. 220kilový linebacker nemůže překonat 250kilového běžícího backu, pokud se snaží zasáhnout hruď na hruď. Ale pokud se může dostat pod podložky, na rozdílu velikosti nezáleží. Páka vítězí.
To je důvod, proč jsou k tomu trénováni hráči speciálních týmů. Punt returner, kterému vyrazily nohy, hru ukončil. Žert je mrtvý. Nízké náčiní je zbraní pro dokončovací jízdy, nejen pro omezení zisků.
Funguje to pokaždé? Ne. Elitní běžci s rychlými nohami se někdy mohou vytočit z rotace. Ale princip zůstává. Nemůžete běžet, když se vám nohy točí ve vzduchu.
Fyzika nízkého náčiní
Představte si běžícího hráče ne jako osobu, ale jako shluk hmoty soustředěný v jednom bodě. Tento bod je těžištěm. U mužů se nachází přibližně v úrovni pupku. U žen je umístěn níže, blíže k bokům.
Kolem tohoto bodu dochází k rotaci. Vždy. Pokud použijete sílu v jiném bodě, vytvoříte moment síly.
Moment síly je roven součinu síly a vzdálenosti od těžiště.
Tato jednoduchá matematika mění způsob, jakým přistupujeme k obraně. Protože moment síly je produktem, je možné „podvádět“. Použijte menší sílu ve větší vzdálenosti od opěrného bodu. Blíže k ní použijte větší sílu. Výsledek bude stejný.
Proto dopadli nízko.
Když obránce chytne běžce za nohy, působí silou ve značné vzdálenosti od středu hmoty. Většinu práce udělá distanční páka. Nepotřebujete generovat tunu energie, abyste otočili své tělo. O to se stará geometrie.
Dosáhnout vysoko? Blízko těžiště? Ztratíte tu páku. Teď jen tlačíš hmotu do hmoty. Běžec se nepřevrhne. Jde vpřed. Zastavte ho. Neděláš žádné problémy.
Proč je to důležité? Protože páka je volná síla.
Nízké náčiní využívá rotační povahu lidského pohybu. Ze soutěže síly se stává problém geometrie. Obránce získává roh. Běžec ztrácí půdu pod nohama.
Jak vzdálenost mění požadovanou sílu
Podívejme se na tento kompromis.
- High Contact Point : Nízká vzdálenost od těžiště. K vytvoření stejného momentu síly je zapotřebí velká síla.
- Nízký kontaktní bod : Velká vzdálenost od těžiště. K vytvoření stejného momentu síly je zapotřebí menší síly.
To není teorie. Elitní obránci si to myslí. Nemíří na hrudník. Míří na stehna. Čím dále od opěrného bodu narazíte, tím snazší je otočit tělo kolem jeho osy.
Ale je tu past.
Pokud se trefíte přesně do těžiště, k rotaci nedojde. Běžec se bude pohybovat ve směru působící síly. Přímka. Žádná rotace. Pouze pohyb vpřed.
To je důvod, proč jsou načasování a úhel tak důležité při nátlaku na přihrávajícího a při obraně při přihrávce. Chcete se dostat za nebo obejmout těžiště. Chcete vytvořit rameno páky.
Kde se ve skutečnosti nachází opěrný bod?
Umístění těžiště se mění v závislosti na držení těla a pohybu.
- Stát rovně : U mužů blízko pupku.
- Běh vpřed : Pohybuje se mírně dopředu, když se tělo naklání.
- Nízká přilnavost : Způsobuje rotaci těžiště nad nohama.
To je důvod, proč běžec, který vás trefí vysoko a plochý, často zůstává na nohou. Strčil jsi ho směrem, kterým se pohyboval. Přidal jsi rychlost. Nevyvedl jsi ho z rovnováhy.
Když pod něj podjedete, změníte vektor. Nyní použijete moment síly. Tělo se otáčí. Rovnováha je narušena.
Matematika je neúprosná. Síla vynásobená vzdáleností se rovná momentu. Změňte vzdálenost. Změňte výsledek.
Proč jsou vysoké náčiní těžší
Cítí se těžší, protože opravdu jsou těžší.
Když útočíte na běžce na úrovni ramen, pracujete přímo proti jeho hybnosti a hmotnosti. Není tam žádná páka. Jedná se o přímý střet. Síla, která
Proč nízký postoj vyhrává bitvu o červenou zónu
Trenéři to z nějakého důvodu vrtají do hlav linemanů. Udržujte boky dolů. Snižte své těžiště.
Když držíte nízký postoj, soupeř vás zasáhne přesně v bodě vaší rovnováhy. Bez ohledu na to, jak agresivně tlačí, se netočíte. Zůstaňte na nohou. Díky tomu je váš pohyb exponenciálně obtížnější.
V červené zóně, posledních 10 yardů před brankovou čarou, je tato konzistence rozdílem mezi pytlem a turnoverem. Obranný lajner, který stojí nohama na zemi, může účinně bránit vlastní branku, protože fyzika kontaktu upřednostňuje ten pod ním.
Instinkt za fyzikou
Načrtli jsme pouze povrch toho, jak mechanici hru řídí.
Většina hráčů a trenérů během hry vědomě nepočítá vektory točivého momentu nebo síly. Je to instinktivní. Ale převedení těchto instinktů do jazyka fyziky mění způsob, jakým vidíte pole. Začnete skutečně oceňovat, jak jsou tyto výkony fyzicky náročné.
Není to jen o rychlosti. Jde o přenos energie, těžiště a páku.
Aplikování těchto znalostí má skutečné praktické výhody. To vede k vytvoření bezpečnějších zařízení. To formuje změny pravidel. To pomáhá sportovcům zlepšit jejich výkon. A prohloubí to váš vztah ke hře samotné.
Až budete příště sledovat čáru, jak drží čáru, pamatujte si: je prostě silný. Ovládá své těžiště.
Pokud chcete jít hlouběji do mechaniky sportu, zdroje z fyzikálních kateder a specializovaných výzkumných center nabízejí mnohem více podrobností. Například Dr. David Haas z North Carolina State University v Raleigh v Severní Karolíně odvedl významnou práci na propojení fyziky s americkým fotbalem. Další zdroje, jako je Exploratorium nebo American Institute of Physics, se zabývají tématy síly, moci a toho, jak funguje první sestupná linie v televizním vysílání.
Je to jiný pohled na hru. Ale možná nejlepší způsob, jak to skutečně pochopit, je.
