Спроба проаналізувати травмоопасность ударів в голову голим кулаком, в порівнянні з ударами у боксерській рукавичці.
Теорія удару.
Ударом в механіці називається короткочасна взаємодія тіл, в результаті якої змінюються їх швидкості. Ударна сила залежить, згідно із законом Ньютона, від ефективної маси ударяючого тіла і його прискорення:
Мал. 1 Крива розвитку сили удару в часі
F = m*a(1)
де
F — сила
m — маса
a — прискорення.
Якщо розглядати удар в часі, то взаємодія триває дуже короткий час - від десятитисячних(миттєві квазіпружні удари), до десятих часток секунди(непружні удари). Ударна сила на початку удару швидко зростає до найбільшого значення, а потім падає до нуля(мал. 1). Максимальне її значення може бути дуже великим. Проте основною мірою ударної взаємодії є не сила, а ударний імпульс, чисельно рівний площі під кривою F(t). Він може бути вичислений як інтеграл:
де
S - ударний імпульс
t1 і t2 - час початку і кінця удару
F(t) - залежність ударної сили F від часу t.
Оскільки процес зіткнення триває дуже короткий час, то в нашому випадку його можна розглядати як миттєву зміну швидкостей соударяющихся тел.
В процесі удару, як і у будь-яких явищах природи повинен дотримуватися закон збереження енергії. Тому закономірно записати наступне рівняння:
E1 + E2 = E'1 + E'2 + E 1п + E 2п(3)
де
E1 і E2 - кінетичні енергії першого і другого тіла до удару
E'1 і E'2 - кінетичні енергії після удару
E 1п і E 2п - енергії втрат при ударі в першому і в другому тілі.
Співвідношення між кінетичною енергією після удару і енергією втрат складає одну з основних проблем теорії удару.
Послідовність механічних явищ при ударі така, що спочатку відбувається деформація тіл, під час якої кінетична енергія руху переходить в потенційну енергію пружної деформації. Потім потенційна енергія переходить назад в кінетичну. Залежно від того, яка частина потенційної енергії переходить в кінетичну, а яка втрачається, розсіюючись на нагрів і деформацію, розрізняють три види удару:
- Абсолютно пружний удар - уся механічна енергія зберігається. Це модель зіткнення, що ідеалізується, проте, в деяких випадках, наприклад у разі ударів більярдних куль, картина зіткнення близька до абсолютно пружного удару.
- Абсолютно непружний удар - енергія деформації повністю переходить в тепло. Приклад: приземлення в стрибках і зіскоках, удар кульки з пластиліну в стіну і т. п. При абсолютно непружному ударі швидкості взаємодіючих тіл після удару рівні(тіла злипаються).
- Частково непружний удар — частина енергії пружної деформації переходить в кінетичну енергію руху.
У реальності усі удари являються або абсолютно, або частково непружними. Ньютон запропонував характеризувати непружний удар так званим коефіцієнтом відновлення. Він дорівнює відношенню швидкостей взаємодіючих тіл після і до удару. Чим цей коефіцієнт менший, тим більше енергії витрачається на некінетичні складові E 1п і E 2п(нагрів, деформація). Теоретично цей коефіцієнт отримати не можна, він визначається досвідченим шляхом і може бути розрахований по наступній формулі:
де
v1, v2 - швидкості тіл до удару
v'1, v'2 - після удару.
При k = 0 удар буде абсолютно непружним, а при k = 1 — абсолютно пружним. Коефіцієнт відновлення залежить від пружних властивостей соударяемих тел. Наприклад, він буде різний при ударі тенісного м'яча об різні грунти і ракетки різних типів і якості. Коефіцієнт відновлення не є просто характеристикою матеріалу, оскільки залежить ще і від швидкості ударної взаємодії — зі збільшенням швидкості він зменшується. У довідниках приведені значення коефіцієнта відновлення для деяких матеріалів для швидкості удару менше 3 м/с.
Біомеханіка ударних дій
Ударними у біомеханіці називаються дії, результат яких досягається механічним ударом. У ударних діях розрізняють:
- Замах - рух, передування ударному руху і що призводить до збільшення відстані між ударною ланкою тіла і предметом, по якому завдається удару. Ця фаза найбільш вариативна.
- Ударний рух - від кінця замаху до початку удару.
- Ударна взаємодія(чи власне удар) - зіткнення ударяющихся тел.
- Послеударное рух - рух ударної ланки тіла після припинення контакту з предметом, по якому завдається удару.
При механічному ударі швидкість тіла(наприклад, м'яча) після удару тим вище, чим більше швидкості ударяючої ланки безпосередньо перед ударом. При ударах в спорті така залежність необов'язкова. Наприклад, при поданні в тенісі збільшення швидкості руху ракетки може привести до зниження швидкості вильоту м'яча, оскільки ударна маса при ударах, що виконуються спортсменом, непостійна: вона залежить від координації його рухів. Якщо, наприклад, виконувати удар за рахунок згинання кисті або з розслабленою кистю, то з м'ячем взаємодіятиме тільки маса ракетки і кисті. Якщо ж у момент удару ударяюча ланка закріплена активністю м'язів-антагоністів і є як би єдине тверде тіло, то в ударній взаємодії братиме участь маса усієї цієї ланки.
Іноді спортсмен завдає два удари з однією і тією ж швидкістю, а швидкість вильоту м'яча або сила удару виявляється різною. Це відбувається через те, що ударна маса неоднакова. Величина ударної маси може використовуватися як критерій ефективності техніки ударів. Оскільки розрахувати ударну масу досить складно, то ефективність ударної взаємодії оцінюють як відношення швидкості снаряда після удару і швидкості ударного елементу до удару. Цей показник різний в ударах різних типів. Наприклад, у футболі він змінюється від 1,20 до 1,65. Залежить, він і від ваги спортсмена.
Деякі спортсмени, що володіють дуже сильним ударом(у боксі, волейболі, футболі та ін.), великою м'язовою силою не відрізняються. Але вони уміють повідомляти велику швидкість ударяючому сегменту і у момент удару взаємодіяти з тілом, що ударяється, великою ударною масою.
Багато ударних спортивних дій не можна розглядати як "чистий" удар, основа теорії якого викладена вище. У теорії удару в механіці передбачається, що удар відбувається настільки швидко і ударні сили настільки великі, що усіма іншими силами можна нехтувати. У багатьох ударних діях в спорті ці допущення не виправдані. Час удару в них хоча і малий, але все-таки нехтувати їм не можна; шлях ударної взаємодії, по якій під час удару рухаються разом соударяющиеся тіла, може досягати 20-30 см
Тому в спортивних ударних діях, в принципі, можна змінити кількість руху під час зіткнення за рахунок дії сил, не пов'язаних з самим ударом. Якщо ударна ланка під час удару додатково прискорюється за рахунок активності м'язів, ударний імпульс і відповідно швидкість вильоту снаряда збільшуються; якщо воно довільно гальмується, ударний імпульс і швидкість вильоту зменшуються(це буває треба при точних укорочених ударах, наприклад при передачах м'яча партнерові). Деякі ударні рухи, в яких додатковий приріст кількості руху під час зіткнення дуже великий, взагалі є чимось середнім між метаннями і ударами(так іноді виконують другу передачу у волейболі).
Координація рухів при максимально сильних ударах підкоряється двом вимогам:
- повідомлення найбільшої швидкості ударяючої ланки до моменту зіткнення з тілом, що ударяється. У цій фазі руху використовуються ті ж способи збільшення швидкості, що і в інших переміщаючих діях;
- збільшення ударної маси у момент удару. Це досягається "закріпленням" окремих ланок ударяючого сегменту шляхом одночасного включення м'язів-антагоністів і збільшення радіусу обертання. Наприклад, у боксі і караті сила удару правою рукою збільшується приблизно удвічі, якщо вісь обертання проходить поблизу лівого плечового суглоба, в порівнянні з ударами, при яких вісь обертання співпадає з центральною подовжньою віссю тіла.
Час удару настільки короткочасний, що виправити допущені помилки вже неможливо. Тому точність удару у вирішальній мірі забезпечується правильними діями при замаху і ударному русі. Наприклад, у футболі місце постановки опорної ноги визначає у початківців цільову точність приблизно на 60-80%.
Тактика спортивних змагань нерідко вимагає несподіваних для супротивника ударів("прихованих"). Це досягається виконанням ударів без підготовки(іноді навіть без замаху), після обманних рухів(хитрощів) і т. п. Біомеханічні характеристики ударів при цьому міняються, оскільки вони виконуються в таких випадках зазвичай за рахунок дії лише дистальних сегментів(кистьові удари).
Дистальний — [напр. кінець, фалангаhttps://www.dvgu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
2. Smith PK, Hamill J. The effect of punching glove type and skill level on momentum transfer. 1986, J. Hum. Mov. Stud. vol.12, pp. 153-161.
3. Walilko T.J., Viano D.C. and Bir C.A. Biomechanics of the head for Olympic boxer punches to the face. 2005, Br J Sports Med. vol.39, pp.710-719 [PDF]
4. Holbourn A.H.S. Mechanics of head injury. 1943, Lancet. vol.2, pp.438-441.
5. Ommaya A.K., Goldsmith W., Thibault L. Biomechanics and neuropathology of adult and paediatric head injury. 2002, Br J Neurosurg. vol.16, №3, pp.220-242.
6. sportmedicine.ru
