Исследование игры в футбол с точки зрения физики

                                          ОГЛАВЛЕНИЕ:

                                                                                                                    стр.

1. Введение                                                                                                    2

2. Глава 1 Физика в технике игрока в футбол                                            4

3.  §1. Физика в технике полевого игрока                                                            4

 4.§2 Биофизика в технике вратаря.                                                                       6

     Практическая работа

 5.Заключение                            

6. Список литературы                                                                                            17

7. Приложение                                                                              

1.Введение.

Футбол одна из наиболее популярных спортивных игр на нашей планете. Среди ученых больше других увлекались этой игрой физики. Например, англичанин Э. Резерфорд, датчанин Н. Бор (он был  запасным вратарем сборной Дании по футболу) и француз Ф. Жолио-Кюри. Все они - нобелевские лауреаты. Почему же футбол привлекал внимание физиков? Прежде всего потому, что для этой игры нужно иметь высокую быстроту реакции и мышления. К тому же футбол представляет собой многовариантную демонстрацию, распространенного в природе такого явления как удар, законы которого объясняет физика.

Среди требований, предъявляемых к футболистам, П.В. Осташев считает главными медико-биологические и психологические. (СМ. Приложение №1 «Требования, предъявляемые к действиям футболистов»).

Однако мы полагаем, что футбол – игра интеллектуальная и требует не только тренировки техники движений, но и знаний физики. Мы решили восполнить этот пробел. Вероятно, тренеры  подразумевают, что каждый школьник должен знать физику в объеме школьной программы  и уметь эти знания применять. Но у команд младшего школьного возраста таковые знания отсутствуют, т.к. законы физики, необходимые на наш взгляд футболисту, изучаются в старших классах.

Целью работы мы поставили выделить основополагающие для футболиста физические понятия и модели, физические методы для оценки основных показателей начинающих спортсменов, которые могут быть использованы для  развития интереса у мальчиков не только к  футболу, но и к физике.

 Это позволило выделить  и  гипотезу исследования: результативность игры в футбол  будет выше у той команды, игроки которой отобраны  в соответствии с научно-обоснованными критериями.

 Объект исследования:  учащиеся, занимающиеся футболом.

 Предмет исследования: их двигательные функций и пространственная  точность движения, скорость реакции футболистов.

Вследствие того, что для футболистов необходима быстрота и точность движения   в данной работе мы поставили задачи:

-  изучение литературы по данной проблеме;

-  рассмотреть вопросы применения физики  в технике полевого игрока и вратаря;

- провести анализ возможных ситуаций, возникающих при ударах футболистом по воротам и составить физико-математические модели этих процессов;

- используя возможности  физического кабинета средней школы, исследовать пространственную точность движения  учащихся и определить время их реакции.

Для решения поставленных задач мы составили методику проведения практических  работ, все данные обработаны с помощью электронных таблиц. Для исследования приглашены учащиеся, занимающиеся футболом, из двух школ.

В работе представлены теоретические вопросы физики в технике игрока в футбол, основные физические модели мяча, экспериментальная часть и краткая история футбола.  Для практического применения этой работы предполагается составить элективный курс «Физика для футболистов»

  Глава 1                       Физика в технике игрока в футбол

§2 Биофизика в технике вратаря.

Оценить быстроту реакции  вратаря  можно, зная, что для людей  верхним пределом быстроты реагирования служит время, необходимое нервной клетке для приема информации, которое составляет 0,01 с.  Когда объект зафиксирован глазом, мозг распознает его за 0,05с.

Известно также, что один из главных биоритмов мозга (ά-ритм) приходится на диапазон частот 8-13 Гц  (среднюю частоту ~ 10 Гц). Он характеризует бодрствование мозга - такое его состояние, когда он еще не вступил в работу, но полностью к ней подготовлен. Таким образом, быстрота реакции вратаря может находиться в пределах 0,1-0,05 с. Считается, что чем талантливее человек, тем быстрее он мыслит. Быстрота игрового мышления участников футбольной встречи - одно из важных условий успешного ее развития и завершения.  

Мигание глаз осуществляется с периодом  0,2—0,5с, т.е. процесс более  медленный в сравнении с быстротой реакции нервных клеток. Вратарь  должен знать о том, что мигать при пробивании ему пенальти  нельзя.

Таким образом, для результативной игры, тренерам и игрокам в футбол необходимо учитывать биофизические возможности  организма  человека, а значит, футбол - игра не только атлетическая, но и интеллектуальная.

§2. Физика в технике полевого игрока

История развития футбола уходит корнями в далекое прошлое (см. Приложение № 2 «История футбола»). С развитием общества спортивные игры совершенствуются, в том числе и за счет лучшего использования возможностей человеческого организма.  Резерв развития футбола - использование в игровых ситуациях достижений биофизики. Рассмотрим  некоторые из них.

Отметим, что при высокой четкости и быстроте движений человек в течение  нескольких секунд может развивать с помощью мускулов мощность, превышающую среднюю мощность лошади, однако при длительной работе мускулы устают и уменьшают отдачу. В итоге за полный рабочий день мощность человека может составить примерно лишь 1/12 лошадиной силы.

Для совершенствования техники обращения игроков с мячом, повышения силы и точности удара применяется физические методы исследования, например, скоростная киносъемка процесса взаимодействия футболиста и мяча; она выявляет такие его фазы, которые не фиксирует глаз, но могут оказаться полезными, чтобы сделать это взаимодействие более эффективным. (Например, для успешного выполнения такого сложного удара, как "сухой лист"- навесного удара с вращением мяча и искривлением траектории его движения в горизонтальной или вертикальной  плоскости в результате вращения.)

Техника полевого игрока состоит из двух подразделов: техники передвижения и техники владения мячом, которая включает удары, остановки, ведение, обманные движения (финты), отбор мяча. Так как в футболе удары по мячу являются основным средством ведения игры, то мы рассмотрим их  с точки зрения физики.

Удары по мячу  выполняются ногой и головой различными способами. Все способы ударов имеют определенную целевую направленность, которая характеризуется необходимой траекторией движения мяча и его оптимальной скоростью. Скорость полета мяча зависит от начальной скорости ударного звена (ноги или головы) и скорости мяча в момент соприкосновения, а также от соотношения их масс. Так как массы взаимодействующих звеньев относительно постоянны, то для того, чтобы увеличить скорость полета мяча, надо увеличить скорость ударного звена.

     Удары по мячу ногой

Удары по мячу ногой выполняются внутренней стороной стопы, средней и внешней частями подъема, носком и пяткой по неподвижному мячу, а также по мячам, катящимся и летящим в различном направлении: с места, в движении, в прыжке, с поворотом, в падении.

Системно-структурный подход к анализу техники игрока позволяет выделить основные фазы движений, которые являются общими для разных способов удара по мячу с точки зрения физики.

Предварительная фаза — разбег. Величина разбега, его скорость определяются индивидуальными особенностями футболистов и тактическими задачами. Разбег способствует предварительному наращиванию скорости ударных звеньев.

Подготовительная фаза — замах ударной и постановка опорной ноги. Близкое к максимальному разгибание бедра и сгибание голени, позволяют выполнить удар требуемой силы, так как увеличивается путь стопы и предварительно растягиваются мышцы передней поверхности бедра, что дает возможность развить к концу движения большую скорость.  Чтобы правильно выполнить замах ударной ноги, нужно удлинить последний шаг разбега.

Рабочая фаза — ударное движение и проводка, которой  во многом определяется направление движения мяча. Ударное движение начинается в момент постановки опорной ноги со сгибания бедра. Угол, образованный бедром и согнутой голенью, сохраняется. Отставание голени и стопы от движения бедра приближает центр тяжести всей ноги к тазобедренному суставу, что приводит к увеличению ее угловой скорости. Перед ударом отмечается торможение бедра («парадокс Чхаидзе»). Оно вызвано необходимостью передачи количества движения (mv) со звена с большей массой (бедро) на часть с меньшей массой (голень и стопа), что увеличивает ее скорость. В момент резкого захлестывающего удара нога закреплена в голеностопном и коленном суставах. Превращение ноги в «жесткий рычаг» позволяет увеличить массу ударяющего звена.  С началом ударного взаимодействия стопа бьющей ноги деформирует мяч. Он сжимается до тех пор, пока скорость взаимного перемещения ноги и мяча не станет равна нулю. Затем упругие силы восстанавливают форму мяча, и его скорость резко возрастает до определенной величины, которая несколько меньше скорости бьющей ноги в начале удара. Часть энергии уходит на остаточную деформацию и нагревание.

Футбольный мяч, обладая значительной упругой деформацией, требует для восстановления формы малое время (около 0,008— 0,013 сек), т.е. время соприкосновения мяча и стопы футболиста следует сохранять как можно дольше, ибо скорость полета мяча зависит от приложенной силы (F) и времени ее действия (t). Ударная нога движется вместе с мячом, а проводка мяча позволяет создать больший импульс силы (Ft) и этим увеличить его скорость.

Завершающая фаза — принятие исходного положения для следующего движения. После удара нога продолжает движение вперед-вверх. Общий  центр тяжести, находящийся в момент удара над площадью опоры, перемещается в сторону движения ноги. Тем самым создаются наилучшие условия для дальнейших действий игрока.

Соблюдение  всех фаз позволяет выполнить удар по мячу различными способами со значительной силой.                  

Глава 2        Моделирование нестандартных физических задач  при игре в футбол

§1 Способы ударов по мячу и их влияние на траекторию его полета

Способам ударов по мячу ногой свойственны две разновидности выполнения: прямой удар и резаный удар. При прямом ударе направление ударного импульса  проходит через центр тяжести  мяча или в непосредственной его близости.  Траектория полета мяча при прямых ударах зависит от места приложения силы.

Если место приложения удара придется на среднюю часть мяча по горизонтальной плоскости, то он будет двигаться по модели движения тела в поле тяготения, брошенного горизонтально.

 Если  же место приложения удара приходится ниже центра тяжести, то имеет место модель движения тела, брошенного под углом к горизонту. Эти модели подробно рассматриваются в курсе механики 10 класса [5  ]

Траектория полета мяча существенно меняется при резаных ударах. В этом случае направление удара не проходит через общий центр масс мяча, что вызывает значительное его вращение вокруг горизонтальной оси (при ударе подсечкой), вертикальной оси (при резанных ударах низом) и наклонных осей (при ударах верхом).

Для выполнения резаного удара необходимо, чтобы направление удара значительно отстояло от его центра тяжести. При изменении места удара относительно вертикальной оси изменяется азимут вылета мяча. Если место приложения силы приходится ниже горизонтальной оси, то изменяется угол вылета мяча. Поворот ударной поверхности вокруг вертикальной и горизонтальной осей вызывает изменение как азимута, так и угла вылета (вправо-вверх, влево-вверх).

Сильно вращающийся в полете мяч встречает сопротивление воздуха, которое значительно изменяет его первоначальную траекторию (эффект Магнуса). 

После отскока от земли сильно вращающегося мяча направление его дальнейшего полета изменяется. Искривление траектории происходит в сторону вращения мяча.

Из всех возможных моделей, применяемых при ударах по мячу, можно выделить как наиболее интересные  -  модели  движения  мяча  в поле тяготения при ударах  головой в нижнюю и верхнюю часть ворот, которые и будут рассмотрены ниже.

      Знания особенностей полета мяча позволит, на наш взгляд, повысить надежность действий футболистов.

     §2 Физические модели и их применение при игре в футбол

Рассмотрим упрощенные модели без учета сил сопротивления воздуха и эффекта Магнуса:

 №1 Удар головой  горизонтально с целью попадания в нижнюю часть ворот.  

№2 Удар ногой под углом к горизонту с целью попадания в нижнюю часть ворот.

№3 Удар ногой под углом к горизонту с целью попадания в верхнюю часть ворот.

№4 Удар головой под углом к горизонту с  целью попадания в нижнюю часть ворот.

№5 Удар головой под углом к горизонту с  целью попадания в верхнюю часть ворот.

Модели №1, № 2, № 3 подробно рассматриваются в курсе  механики для профильной школы [5]. Эти модели востребованы, но наиболее сложными с точки зрения физики являются модели №4 и №5, которые рассмотрены подробно в приложении №2.

Глава 3                            Экспериментальная часть 

В экспериментальной части работы мы, используя возможности физического кабинета школы, исследовали пространственную точность движения у футболистов сборной команды школ  и определили время их реакции на движущийся объект.                                                

                                                 Практическая работа №1

 1.1.    Определение времени реакции футболиста на движущийся объект

Приборы и материалы: миллиметровая линейка длиной 50 см, школьный электронный секундомер.

Методика .

Исследование опирается на известный каждому школьнику способ измерения времени реакции человека. В опыте участвуют двое, условно «испытуемый» и «экспериментатор». Первый прижимает к стене длинную линейку, второй держит ладонь в сантиметре-двух от нулевой метки на линейке. В какой-то момент времени «экспериментатор» отпускает линейку, а «испытуемый» должен как можно быстрее остановить её падение, прижимая линейку к стене. Расстояние, которое успела пролететь линейка позволить определить время реакции «испытуемого». Чтобы вычислить эту величину в секундах, надо воспользоваться известной формулой для времени свободного падения тела, t= , где      h- расстояние, которое пролетела линейка,  g- ускорение свободного падения.

Для большей достоверности проводится серия измерений. В процессе измерения могут быть случайные погрешности. Для статистической обработки данных необходим учет погрешностей измерения. Наибольшая ошибка, которая может быть допущена при измерении величины, называется абсолютной погрешностью измерения. Абсолютная погрешность обозначается  знаком   ∆(дельта) с указанием соответствующей величины и включает: инструментальную погрешность, погрешность отсчета (максимально составляет половину цены деления шкалы) и случайную погрешность. Случайная погрешность учитывается, если при измерении имеют место случайные ошибки (например, реакция экспериментатора на опускание линейки) и  равна половине цены деления прибора.

Результаты  измерений учащихся  заносим в таблицу №1

МОУ «Кадетская школа»

МОУ «СОШ №5»

Вывод: Суммируя  верхний предел быстроты реагирования нервной клетки для приема информации, которое составляет ( 0,01 с) со скоростью распознавания объекта мозгом (0,05с) получаем ,что  наименьшая  быстрота реакции вратаря должна быть  0,06 с .

Из анализа результатов практической работы , следует, что лучшая быстрота реакции у Алексея (0,143с),   учащегося  МОУ «Кадетская школа», а в команде МОУ «СОШ №5»- у Вани (0,195с),что близко и идеальной быстроте реакции вратаря.. Следовательно, двигательные реакции данных игроков позволяют быстро реагировать на коротко-временные ситуации в футболе, т.е. данные учащиеся могут быть рекомендованы к выполнению роли вратарей.

Таким образом, для результативной игры, тренерам и игрокам в футбол необходимо учитывать биофизические возможности  организма  человека, а значит, футбол - игра не только атлетическая, но и интеллектуальная.                     

1.2         Определение времени реакции футболиста на  движущийся объект

Методика исследования.

       Испытуемый  включает электронный секундомер, наблюдая за движением стрелки, должен остановить ее на заданной экспериментатором цифре. Степень точности  реакции на движущийся объект (РДО) определяется по величине опережения  или запаздывания реакции.

 Результаты испытаний заносим в таблицу  № 2.

Вывод: Из анализа  результатов таблицы №2 следует, что лучшее время реакции испытуемых на движущийся объект зафиксировано у Алеши, Дениса, Димы и Сени, что обеспечивает их более точное программирование двигательных действий при игре. У этих же ребят по результатам предыдущей работы отмечена и лучшая быстрота двигательной реакции.

     Никита, Ваня и  Эдик имеют замедленную реакцию на движущийся объект.

     Все эти данные  должны учитываться тренером при выработке стратегии игры,  а также при корректировке индивидуальных программ дополнительных тренировок футболистов.  

Заключение

При выполнении работы мы убедились, что футбол- одна из старейших игр, требует не только тренировки, техники движения, но и знаний физики (основных разделов механики школьной программы), которые позволяют учитывать их при выполнении техничных ударов по воротам и моделирование различных ситуаций на футбольном поле, т.е. футбол- игра интеллектуальная.

В ходе работы подтвердилась и гипотеза о том, что результативность игры в футбол выше у той команды, игроки которой отобраны в соответствии с научно обоснованными критериями.  По результатам работы сделаны выводы о целесообразности распределения ролей  игроков при игре в футбол на примере команды учащихся 7к класса, чемпиона кадетской школы по футболу. Время  реакции на движущийся предмет в сравнении со  временем движения мяча лучше у Алеши ( « Кадетская школа»), поэтому он является  вратарем  школьной команды по футболу  и хоккею.  

Практическая ценность работы состоит в том, что физические методы, предлагаемые нами, позволяют оценить некоторые показатели начинающего спортсмена в динамике за определенный промежуток времени, которые оцениваются не на глазок («лучше», «хуже»), а математически. Числовая характеристика спортивных достижений неоспорима, более объективна, чем качественная и помогает легче убедиться в росте спортивного мастерства футболиста.

Данная работа на наш взгляд может служить основой для создания элективного курса «Физика для футболиста», что приведет к повышению интереса не только к футболу, но и к физике.

                           СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ.

      1.  Иванов А.К. «Футбол глазами физика», ж/л  «Физика в школе»№ 5, 1994, с.40

2. Казаков П.Н. «Футбол», М., «Физкультура и спорт», 2001г

            3. Любомирский Л.Е. «Управление движениями у детей и подростков», М. «Педагогика», 1998,с. 224

    4. Осташев П.В. «Прогнозирование способностей футболиста»,М., «Физкультура     и спорт», 1992,с.96

       5. Степанова Г.Н.  «Механика»,  С-Пб, «СТП ШКОЛА», 2003, 182

    5. Филин В.П. «Основы юношеского спорта», М., «Физкультура и спорт», 1994,с.254

6. Шилов В.Ф. «Как определить скорость мяча» ж/л  «Физическая культура в школе»№ 6, 2004, с.52

     Приложение №1

Основные требования, предъявляемые к действиям футболистов (по П.В. Осташеву)

Немного истории.   Футбол — одна из старейших спортивных игр. Ее древние разновидности, такие, как римский «гарпастум» или грузинская «лело», значительно отличались от игры, которая в XX веке завоевала всемирное признание.  Известный французский историк футбола Морис Пефферкорн утверждает: предком футбола можно назвать «ла суль» — игру, в которой две команды гоняли кожаный мяч, наполненный тряпками или воздухом. Эта игра в средние века была популярна на родине Пефферкорна. Итальянские    спортивные    историки утверждают, что современный футбол, родился от «кальчио» — игры, распространенной в XVI веке во Флоренции.

В 1349 г. английский король Эдуард III в своем  указе обратил внимание шерифов Лондона на то, что стрельба из лука, столь полезная для молодежи, ушла на второй план из-за увлечения бесполезными и «беззаконными» играми, наподобие футбола. Так игра впервые названа футболом.  Через 40 лет Ричард II издал указ, запрещавший футбол во всем королевстве. В 1401 г.  и Генрих IV пытается наложить «вето» на полюбившуюся молодежи игру, а ГенрихVIII карает владельцев полей, на которых проходили запрещенные игры. Но футбол продолжал жить. Именно в Англии в 1863 г. образовалась первая в мире футбольная ассоциация и разработаны первые официальные правила игры. Здесь же появились и первые клубы футболистов.

Морлей от имени клубов Шеффилда представил проект первого футбольного кодекса и 8 декабря 1863 г. законы вошли в силу. Так родился современный футбол.

В 1878 г. появился судейский свисток (прежде арбитры подавали сигналы звонком-колокольчиком, либо голосом), впервые появились судьи. Англичане по предложению Броди, владельца ливерпульской фабрики по производству рыболовных снастей, в 1890 г. «одели»   в  сети  футбольные ворота.

С 1872 г. начинаются  международные встречи по футболу. Открывает их матч сборных Англии и Шотландии. В первой встрече была нулевая ничья. С 1884 г. на Британских островах начали проводить официальные международные чемпионаты Великобритании. Родоначальники футбола выиграли и олимпийские турниры — в 1900, 1908 и 1912 г., но на Олимпийских играх 1920 г.  англичане  уступили норвежцам (1 : 3), олимпийскими чемпионами стали бельгийцы.

Этот турнир стал началом блестящей карьеры одного из выдающихся вратарей                                                     всех времен Рикардо Заморы, с именем которого связаны  успехи сборной Испании.

Перед первой мировой войной сборная Венгрии, прославивилась нападающими (сильнейшим среди них был Имре Шлоссер). В те же годы отличились и футболисты Дании. В датской команде выдающуюся роль играл полузащитник и вратарь Харальд Бор (выдающийся математик, брат знаменитого физика Нильса Бора). В элиту европейского футбола входили и сборные Бельгии и Чехословакии. Олимпийские игры 1924 г. открыли футбольному миру Южную Америку: золотые медали победителей выиграли футболисты Уругвая.

В нашей стране об игре в мяч, похожей на футбол, знали  еще в середине XIX века. Эту игру отмечал в «Очерках бурсы»   писатель   Н .Г.Помяловский.  Игра велась кожаным мячом, команда на команду; цель игры - ногами загнать   мяч   в   определенное   место.

В 70-х гг. прошлого столетия организаторами первых футбольных матчей в России были английские рабочие. Тогда же ими были созданы и первые футбольные клубы: «Нева», «Невка», «Невский», «Виктория». Затем футбольные клубы появились в Харькове  на заводе сельскохозяйственных машин «Гальферах -Саде», в Одессе - «Британский атлетический клуб» и в других городах. В  1897 г. петербургский «Кружок любителей спорта» создает первую русскую футбольную команду, а  1901 г. была уже организована Петербургская футбольная лига; которая начала проводить розыгрыш футбольных первенств между клубами — членами лиги.

Появление футбола в Москве связано с «Сокольническим кружком футболистов». Решающим годом в развитии футбола в Москве был 1909-й, когда была создана Московская футбольная лига.

Период с 1900 по 1910 г. в истории русского футбола характерен ростом числа футбольных команд и клубов. Увеличивается количество команд и клубов на юге России: в Харькове, Одессе, Киеве и других городах. По примеру Петербурга и Москвы футбольные клубы многих городов  объединяются в футбольные лиги.

В 1911г. организован Всероссийский футбольный союз. К концу 1912 г. этот союз объединял 52 клуба, а год спустя их стало  138. В 1912 г. Россия вступила в Международную футбольную федерацию.

Особое место в истории русского футбола занимают встречи команд Петербурга и Москвы. Первая игра сборных команд этих городов состоялась в 1907 г. и закончилась    победой Петербурга 2 : 0.                                        

В структуре способностей к футболу, тренеры и ученые обычно выделяют следующие компоненты:

-  физические способности (для овладения технико-тактическими приемами игры и достижения высокой эффективности в игровой деятельности);

-  функциональные способности работать на высоком уровне, точно оценивать пространственно- временные и силовые характеристики движений,

-  способность к быстрому овладению приемами игры и рациональному их применению в условиях состязаний,

-  оперативность мышления и способность к творчеству;

-  способность к вероятностному прогнозированию событий в игре;

-  игровая активность; помехоустойчивость;

-  способность осмысливать и критически оценивать результаты собственной тренировочной и игровой деятельности, а также находить пути самосовершенствования;

-   устойчивость к заболеваниям простудного характера.

При отборе кандидатов для занятий спортом учитывается трудолюбие; наличие таких черт характера как смелость, решительность, настойчивость, мужество; быстрота усвоения знаний; координационные способности; управление эмоциональным состоянием  в экстремальных условиях.

 Считая, что футболист за матч пробегает 10-15км, главными выдвигаются  требованиями выносливости и силы ног. Дополняющими и второстепенными являются  ловкость и быстрота. Следует добавить и то, что футбол игра командная и требует от человека умения работать в коллективе и на коллектив.