کاربرد فيزيك در ورزش

فوتباليستی را در نظر بگيريد كه هنگام ضربه زدن به توپ فقط از عضلات دو قلوي پاي خود استفاده مي كند. اين فوتباليست هنگام ضربه زدن به توپ از دو عضله استفاده ميكند و اگر قدرت وارد كردن انرژي اين دو عضله را 100نيوتن در نظر بگريم توپ او با سرعت مثلا40 كيلومتر در ساعت حركت خواهد كرد.حالافوتباليست ديگري را در نظر بگيريد كه هنگام ضربه زده علاوه بر استفاده از عضلات ساق پاي خود،از عضلات ران نيز استفاده مي كند.
اين شخص علاوه براينكه عضلات بيشتري استفاده مي كند نيروي بيشتري را برروي توپ وارد مي كند (200نيوتن)در نتيجه سرعت توپ او با 60يا 80كيلومتر در ساعت حركت خواهد كرد .ودر نهايت شوت او براي دروازبان حريف مشكل ساز خواهد بود
مي بينيد كه استفاده بسيار ساده وپيش پا افتاده اي از علم فيزيك در مثال بالا يك فوتباليست را از نظر قدرت شليك توپ به حد بالايي مي رساند .پس مي توان نتيجه گرفت كه علم در ورزش بي تاثير نيست.براي توجه بيشتر مثال زير را در نظر بگيريد:اسكي بازي را در نظر بگيريد كه در حدود60كيلو گرم وزن داشته و در مسابقه اسكي مارپيچ المپيك شركت كرده است ،قانون نيروي ثقل و وزن كه در فيزيك به صورت تئوري در كتاب ها مطرح شده است اين شخص را بر اثر نيروي كشش زمين ونيروي گرانش وطبق فرمول زير نيروي خاصي را بر او وارد مي كند.واو را از كوه به سمت پايين مي كشد ونيرويي كه هر دو جرم را به سمت يكديگر مي كشاند نيروي گرانش نام دارد ونيز ربايش زمين را بر يك جسم ،وزن ان جسم يا نيروي گرانش مي گويند و مي دانيم وزن با جرم فرق مي كند نتيجتا وزن اين اسكي باز طبق قانون زير برابر است با 60كيلو گرم ونيروي واردشده بر اوبرابراست با:

W=60(kg)*10(n/kg)=600N

ورزشكار ديگري را در نظر بگيريد كه وزن او اصطلاحا 100كيلو گرم باشد و نيروي وارد شده بر او برابر است با:

W=100(kg)*10(n/kg)=1000N


نيرويي كه شخص دوم را به پايين مي كشد، حدودا400نيوتن از نيروي شخص اول بيشتر است .در نتيجه سر عت نفر دوم نيز به مراتب بيشتر خواهد شد.بنابراين شانس موفقيت نفر دوم در صورتي كه داراي فاكتور هاي مشترك ديگر مثل داشتن اسكي هايي با كيفيت يكسان وغيره ،براي پيروزي در مسابقه بيشتر است.اكنون كه تا حدي به نقش علم فيزيك و تاثير موثر بر ورزش اشنا شديد وقت ان است كه شاخه هاي مختلف ان را برسي كرده و نقش هر كدام را در ورزش روشن كنيم .


پرتوهاي نوري و قوانين شكست نوري

هنگامي كه نور به يك محيط شفاف وارد ويا از آن خارج مي شود،ممكن است پرتو هاي نور شكسته شوند واثر هاي جالب و گاهي زيبا را پديد مي اورند.مثلا اگر به يك سكه در ته ليوان نگاه كنيد سكه بالا تر از محل واقعي خود به نظر مي رسد. يا وقتي كه يك قاشق را بطور مايل در ليوان آب فرو مي بريد ان را در محل ورود به اب شكسته مي بينيد.وقتي نور بطور مايل از يك محيط شفاف وارد محيط شفاف ديگري مي شود ،هنگام عبور نور از سطح جدا كننده دو محيط مسير ان تغيير مي كند . اين پديده را شكست نور مي گويند.علت شكست نور اختلاف سرعت در دو محيط است اگر نور از خلا وارد محيط شفاف شود و سزعت نور در خلا و محيط را به ترتيب باCوVنشان دهيم ،ضريب شكست عبارت خواهد بود از :

N=C/ V

بيشترين كابرد اين تكنيك در ورزش براي ساخت عينك هاي شنا و غواصي مي باشد.
عينك غواصي در هوا داراي ديد تار مي باشند ولي در آب با اصل ضريب شكست توسط محيط اب داراي ديد صاف و شفاف مي شوند.روي اين اصل شناگران با اينگونه عينك ها مي توانند كف استخر را به خوبي ببينند .خط هاي سفيدي كه در ته استخر كشيده مي شوند باعث مي شوند تا شناگران در مسير خود قرار بگيرند وبه مسير ديگر ورزشكاران وارد نشوند و با چشم غير مسلح و با عينك مخصوص شنا اين خط ها ديده نمي شوند.همچنين شناگران قادرند به خوبي با اين عينك ها حريفان خود را زير نظر داشته باشند.

تجزيه پرنوهاي نوري و رنگ هاي مختلف نوري وداستان عدسي ها

نور سفيد به وسيله منشور مي تواند تجزيه شود ومثل عينك هاي آفتابي و مه شكن ومخصوص براي رشته هاي اسكي ،قايقسواري،موج سواري و… استفاده مي شوند.ونيز عدسي ها اشكالي هستند كه جسم را نزديك تر يا دورتر نشان مي دهند.از اين قضيه بيشتر در ورزش شكار استفاده مي شود (ساخت دوربين هاي قوي)

بازده زمانی

در بسياري از موارد به جاي دانستن لحظه شروع يك رويداد،نياز به اندازه گيري مدت زمان آن رويداد داريم.مدت زمان بين شروع رويدادرابا T1ولحظه پايان يك رويداد را باT2نشان دهيم،بازده زماني برابر T2-T1استكه آن را با Tنشان مي دهيم. T= T2-T1اين مسئله به صورت آشكار در ورزش هايي كه نقش زمان وتايم گيري در آن مهم است مطرح مي باشد .مثل ورزش دو ،دو چرخه سواري و ورزش اسكي.البته در بيشتر اين ورزش ها شروع حركت يا T1با زمان صفرمحاسبه مي شود و اين ثبت زمان T2است كه با كرنو متر هاي پيشرفته اندازه گيري مي شود.

نيرو

ما همواره بدون آنكه توجه كافي داشته باشيم ،نيروهايي را كه هل مي دهند ومي كشند ويا اجسام را به حركت وا مي دارند ويا حركت آنها را كند ميكنند ،به سهولت مي توان شناخت.اما نيروهايي كه در اجسام در حا ل تعادل ،مثل اجسام ساكن وارد مي شوند ،كمتر آشكارند.نيرو به كمك اثر هايي كه بر يك جسم مي گذارند مي شناسيم و توسط همين اثرها مي توانيم توصيف كنيم.اثرهاي نيرو عبارتند از:نيرو مي تواند جسم را به حركت وا دارد. نيرو مي تواند عامل ترمز وايستادن جسم باشد. نيرو مي تواند عامل مخرب باشد يعني مي تواند موجب فشرده شدن ويا له شدن جسم شود.نيرو جهت جسم را نيز عوض مي كند .نيرو مي تواند ماهيت جسم را نيز عوض كند . نيرو مي تواند جسم را خم كند و يا بطور كلي تغيير شكل مي دهد. نيرو مي تواند اثر نيروهاي ديگر را كه بر يك جسم ساكن وارد مي شوند را خنثي كند واز حركت جسم جلوگيري كند نيرو مي تواند سبب چرخش جسم شود. نيرو ها بر حسب اثرهاي آن نام گذاري مي شوند.نيروي مالش (اصطكاك)، نيروي كشش نخ،نيروي شناوري ، نيروي كشساني و…
در اينجا با بعضي از نيرو ها آشنا ونقش هر كدام را در ورزش برسي مي كنيم.

نيروي گرانش
نيرويي كه دو جرم مشخص بر يکديگر وارد مي نمايند را نيروي گرانش مي گوييم.لذا به ربايش زمين بر يك جسم وزن آن جسم يا نيروي گرانش ميگويند.در ورزش اين نيرو گاهي مفيد و گاهي مضر است.مثلا در ورزش اسكي اين نيرو نقشي مثبت داشته و موثر است.اسكي كه اصول اوليه آن بر پايه حركت ورزشكار با اسكي از كوه به سمت پايين است.نتيجتا هر اسكي باز كه سنگين تر است، با سرعت بيشتري به سمت پايين كشيده مي شود.طبق فرمول زير :

W=جرم(kg)*10(n/kg)

در نتيجه اين نيرو براي ورزش اسكي مثبت و مفيد است .ولي در ورزش پرش ارتفاع كه ورزشكار با پريدن از سطح زمين انرژي خود را صرف غلبه برنيروي گرانش زمين مي كند ،طبق فرمول:

W=جرم*10

اين در خلاف جهت حركت ورزشكار قرار دارد به عنوان نيروي مزاحم به حساب مي آيد .پس در رشته اسكي هر كسي كه سنگين تر است سرعت بيشتري دارد وبر عكس در ورزش پرش ارتفاع هر كس كه سبكتر است موفق تر خواهد بود وبهتر مي تواند بپرد

نيروي كشسانی
وقتي فنري را مي کشيم يا فشرده مي كنيم ،فنر دست ما را مي كشد يا مي راند.به نيرويي كه فنر كشيده يا فشرده اعمال مي كند نيروي كشساني فنر مي گوييم.اين نيرو درورزش كارايي چنداني نداشته ،به جز در موارد خاص.در ورزش از اين نيرو به صورت دستگاه هاي بدن سازي كه با فنر هاي مخصوص كار مي كند، استفاده مي شود.

نيروي مالش

به نيروهاي بين سطح تماس بين دو جسم كه با سطح تماس موازيند وبا حركت دوجسم بر روي هم مخالفت مي كنند نيروي مالش(نيروي اصطكاك)مي گويند.اين نيرو به جنس هاي سطح تماس وصافي وزبري آن بستگي دارد و متناسب با نيروي عمودي است كه دو سطح تماس را به هم مي فشارد.اين نيرو در ورزش بسيار تاثير گذار مي باشد.اين نيرو تاثير خودرا به صورت مثبت و منفي مي گذارد.يعني اينكه اين نيرو براي رشته هاي ورزشي هم مفيد و هم مضر است.
مثلادر ورزش هاي: لوژسواري ،شنا واسكي و….يك عامل مزاحم به شمار مي رود.ولي در ورزش هايي مثل تنيس واليبال فوتبال و…نيروي اصطكاك عامل پايداري ورزشكار در سطح زمين به شمار مي آيد و در جهت مثبت فعاليت ورزشكاران قرار دارد.اصطكاك در عامل پايداري ورزشكار در سطح زمين به شمار مي آيد ودر جهت مثبت فعاليت ورزشكاران قرار دارد. اصطكاك در ورزش لوژسواري باعث مي شود نيروي مزاحم وترمز كننده بين تيغه هاي لوژو يخ ايجاد شود ودر نتيجه از سرعت لوژسوار كاسته شود،براي رفع اين مزاحمت مربيان ومتخصصان تيم هاي ورزشي با ساخت تيغه هايي كه كمترين سطح زبر رادارا مي باشد (بسيار تيز وصيقلي)مي باشد در زير لوژهاي ورزشكاران نصب مي كنند.در ورزش اسكي كه تماس بين كف اسكي و برف عامل ايجاد اصطكاك است وتا حدودي از سرعت ورزشكاران جلوگيري مي كند ،به صورت تجربي به اثبات رسيده كه اگرورزشكار واكس مربوط به هر برف (دماي برف معيار واكسها مي باشد)را به ته اسكي خود بزنند اسكي با سرعت بيشتري به دليل رفع نيروي اصطكاك بين كف اسكي و برف حركت خواهد كرد.در ورزش شنا نيز نيروي اصطكاك بين آب وبدن شناگر عامل مزاحمي براي سرعت او محسوب مي شود.اينگونه مشكلات را كه مي توانندمانعي براي رسيدن ورزشكاران به سرعت ايده آل ومناسب باشند را فيزيك به آساني حل كرده است. دانشمندان فيزيك با درست كردن لباس هاي شنا (مثل پوست فك ها كه سطح اصطكاك را به ميزان نسبتا زيادي پايين مي آورند)باعث شدند عامل مزاحم نيروي اصطكاك در ورزش شنا به حداقل برسدو همين كشف تا حدودي ركود سرعت شنا را بالا برده است.در ورزش هايي مثل تنيس و واليبال كه ورزشكار بايد با پاهاي استوار در سطح زمين به جابجايي بپردازد وبتواند خود را كنترل كند واز ليز خوردن در سطح صاف سالن جلوگيري كند حالتي كاملا بر عكس شنا واسكي وجود دارد به همين دليل در اين ورزش ها به نيروي اصطكاك بيشتر نياز داريم ونتيجتا متخصصين وصاحب كارخانه هاي معروف كفش هايي ساخته اند كه بتوانند نيروي اصطكاك بين كفش وزمين چندين برابر كند.