Измерение скорости удара. Измерение силы удара

Футбол! Футбол! Кричат болельщики − гол! Вокруг этой игры всегда кипели нешуточные страсти. Миллионы мальчишек во всём мире старались и стараются быть похожими на своих кумиров. Футбольные секции и школы никогда не испытывают недостатка в желающих заниматься. Ребята стараются превзойти по силе и скорости удара других игроков. Но вот как определить силу удара по мячу и скорость его полёта?

Adidas Snapshot для измерения силы удара: как это работает

Первопроходцем в плане измерения силы удара по мячу и скорости его полёта стала компания Adidas, которая в 2013 году представила программу Snapshot.

Приложение было доступно лишь владельцам устройств на базе платформы iOS, но, тем не менее, вызвало живой интерес у поклонников футбола. В дальнейшем развитие программы было остановлено, так как в продаже появились «умные» мячи, которые, благодаря встроенным датчикам, измеряли скорость намного точнее.

Пользоваться приложением весьма просто. Для этого необходимо откалибровать на мониторе размер мяча. Далее начинается запись происходящего. Игрок бьёт по мячу. Как только мяч прекращает своё движение, запись останавливается.

На экране необходимо отметить начальное и конечное его положение. На основе этих данных программа замеряет пройденное за определённое время расстояние и вычисляет скорость. Именно так это демонстрировал в рекламном ролике футболист Гарет Бэйл.

В программу были включены довольно интересные функции:

Однако разработка была с недостатками. Когда данные по удару Гарета Бэйла стали достоянием общественности, очень многие люди смогли превзойти его результаты и своими роликами доказали это. Данная ситуация поставила под сомнение эффективность работы программного обеспечения. Это привело к отказу от использования анализа видеозаписей для определения силы удара и скорости полёта мяча.

Другие способы узнать силу и скорость удара

Если программы на iOS и Android-платформах ещё можно использовать для любительского футбола, то для серьёзных соревнований применяют оборудование другого класса. К ним относятся спортивные радары.

Эти приборы, как утверждают производители, со своей задачей успешно справляются. Разработка их ведётся ещё с 2008 года. Заверениям производителей можно доверять, ведь для вычислений используется не видеозапись, а информация с датчиков, которые делают это намного точнее.

Спортивные радары на рынке представлены несколькими фирмами:

SportsSensors.
Supido.
PocketRadar.

Наиболее правильным и разумным решением для вычисления силы удара будет снабдить датчиками непосредственно спортивный снаряд. Согласитесь, если внутри мяча находятся чувствительные сенсоры, которые непосредственно в момент удара замеряют его силу, а во время полёта вычисляют скорость − это намного продуктивнее и точнее. Именно так и поступила фирма Adidas, когда выявились недостатки их мобильной программы.

Фирма выпустила «умный» мяч miСoach SMART BALL, который стал доступен для покупки в 2014 году. Однако его стоимость в 300 долларов отпугнула потенциальных покупателей.

Справка! Сейчас цена снизилась до ста долларов и стала сопоставимой со стоимостью топовых моделей мячей.

Устройство имеет следующие характеристики:

классический пятый размер;
двенадцать датчиков;
ёмкость аккумулятора достаточна для совершения 2000 ударов по мячу, а подзарядка длится шестьдесят минут.

Пятёрка самых сильных футбольных ударов

Футбольная история хранит данные о множестве сильных ударах, которые благополучно поражали цель. Авторы некоторых из них приведены ниже.

Дэвид Бекхэм

В уже далёком 1997 году легенда полузащиты «Манчестер Юнайтед», а также сборной Англии по футболу загнал в ворота «Челси» мяч со скоростью 156 км/ч. Это было настолько молниеносно, что у вратаря не хватило скорости отреагировать и перехватить мяч.

Криштиану Роналду

Футбольная карьера Криштиану Роналду ещё далека до завершения, а на его счету уже множество индивидуальных, а также клубных трофеев. В его активе множество голов. Как и Бэкхем, Роналду специализируется на ударах со штрафной позиции. Но наиболее сильный его удар был реализован во время игры. Мяч набрал скорость 185 км/ч.

Роберто Карлос

Этот игрок из Бразилии длительное время сохранял за собой звание футболиста, обладающего самым мощным ударом. Во время Кубка Конфедерации он стал автором запоминающегося гола в ворота французской сборной, выполненного с огромной силой.

С расстояния в 35 метров Карлос выполнял штрафной удар. Он был такой силы, что вратарь смог лишь проводить мяч взглядом − у него просто не было времени на прыжок.

При оттачивании своих бойцовских навыков необходимо отслеживать прогресс. Конечно же, лучше всего делать проверку в спортивном зале. Но общее представление о физической подготовке, скорости и силе удара можно получить и в домашних условиях.

Скорость удара

Скорость удара не менее важна, чем сила. Ведь даже если человек имеет огромный, «железный» кулак, но при этом удар медленный — толка нет. Скорость усиливает панч, помогает застать врасплох соперника. Довольно простое упражнение поможет узнать скорость удара.

Для проверки понадобится теннисный мячик. Берем его в не бьющую руку, зажимаем. Затем вытягиваем руку вперед. Тестируемую руку подносим к подбородку (встаем в стойку). Руки должны быть на одной линии. Пусть кто-то из близких или друзей посчитает до трех. И на счет «три» вы раскрываете кулак и как можно быстрее подхватываете мяч другой рукой. Если скорость отличная, то мяч вы ловите на той же линии, на которой был отпущен. Однако, он не должен опуститься ниже 7-10 см.

Взрывная сила

Не все понимают, что такое взрывная сила удара. Это как быстро вы достигните максимальной скорости. Очень важный показатель, так как от него зависит: упадет ли соперник от удара или успеет увернуться.

Для измерения опять берем обычный мячик для тенниса. Подкидываем его в воздухе и сразу бьем по нему другой рукой. Теперь меряем:

5-10 метров — Малая сила.
10-16 метров — Средняя.
Более 16 метров — Высокая.

Таким же образом можно тренировать взрывную силу. А через время опять проверить результаты.

Общая мощь удара

Существует еще один тест. Он показывает общую мощь удара. Его часто используют при подготовке бойцов ВДВ. Для этого понадобится прозрачный полиэтиленовый пакет (с ручками).

Пакет нужно подвесить нитками за две ручки на уровне подбородка. Затем нужно встать в стойку и нанести удар в центр. Очень важно, чтобы удар «не ушел» вниз. Цель – порвать пакет. Если пакет просто сорвался, удар недостаточно сильный, нет хорошей скорости, нет взрывной силы.

Если прошли все три теста, то вы обладаете сильным и быстрым ударом (как у профессионального бойца). Это отличные показатели.

Заканчивается шестой год третьего тысячелетия, очередные поколения спортсменов уходят в историю, а проблема измерения силы удара остается нерешенной. В настоящее время в мире существует множество различных устройств, от дешевых и простых до дорогих и технически сложных, позволяющих измерять силу удара в боевых единоборствах. Причем у всех производителей результаты измерений, как правило, существенно отличаются, хотя все они претендуют на корректность измерений. Любители, поклонники и спортсмены продолжают спорить «у кого сильнее удар», не доверяют результатам никаких силомеров (не без оснований) и многие уже приходят к выводу, что подобные измерения вообще не возможны.

Почему же такое происходит?

Самые распространенные датчики, используемые для измерения силы удара – это тензодатчики, пьезорезистивные и пьезоэлектрические датчики силы. Все они обладают высокой точностью и активно используются для измерения силы ударов в промышленности и на производстве, так как для этих целей и были разработаны.
Измеряя силу удара с помощью этих датчиков, мы, в конечном счете, измеряем силу, возникающую при ударе, и пытаемся ее интерпретировать как искомую силу удара, а она по законам физики определяется упругими свойствами мишени и ударной конечности, а также их размерами, формой и относительной скоростью движения. Калибровка подобных измерителей возможна только для тел, имеющих одинаковые свойства, размеры и форму, что и делает возможным их применение в промышленности. В спорте же калиброванных ударных конечностей и калиброванных по силе ударов не существует. Таким образом, даже рассматривая удар как столкновение двух тел (ударной конечности и мишени) обладающих определенными свойствами, формой и массой, мы не в состоянии провести однозначную калибровку. Удар же, гораздо более сложен и продолжителен, чем простое столкновение. Поэтому, имея только форму ударного импульса и не имея полноценной калибровки, невозможно получить корректные результаты при измерении силы и энергии удара с помощью тензодатчиков, пьезорезистивных и пьезоэлектрических датчиков силы и давления.

В аттракционах часто используются пружинные конструкции. Эти конструкции подходят только для измерения статических сил, в крайнем случае, толчков так, как при ударе по такому измерителю возникает противоположная упругая сила (пропорционально величине сжатия пружины), которая кардинально меняет биомеханику удара. При резком ударе спортсмен может легко получить травму.
По тем же причинам не подходят датчики, использующие для измерения силы давление жидкости или газа. Биомеханика удара здесь нарушена из-за возникающей при ударе упругой выталкивающей силы. Калибровка также невозможна по тем же причинам.
Таким образом, недостатком известных решений является недостоверность получаемых данных, так как вместо силы удара, измеряются силы, возникающие при ударе, а они по законам физики определяются не только биомеханикой удара, как нам бы хотелось, но и упругими свойствами мишени и ударной конечности, а также их размерами и формами.

Хочу также подчеркнуть, что в абсолютном большинстве известных случаев конструкции измерителей сильно меняют биомеханику удара, что недопустимо, так как это негативно влияет на постановку удара спортсмена. Но, даже выбрав в качестве мишени некую идеальную мишень, мы не решаем всех проблем, так как придется еще «калибровать» конечности всех спортсменов, что невозможно. И наоборот, представив, что все конечности одинаковы, мы видим, что сила удара будет зависеть от жесткости и тяжести мишени. Даже теоретически сила удара человека по свободно подвешенной боксерской груше весом 8кг не может превысить 400кгс. Если же ударить металлическим кастетом по подвешенному металлическому шару того же веса, легко получим и 4000кгс. Отсюда вывод: Погоня за рекордными по силе ударами приведет лишь к конструкциям силомеров с жесткими и тяжелыми мишенями, проверяющими ваши кости на прочность и победителем всегда будет специалист по разбиванию камней. Подведем итог:

Следует признать, что идея мерить силу удара и принимать этот параметр как основную характеристику удара была изначально ошибочна и в качестве основного параметра, характеризующего силу удара, следует выбрать энергию удара. В боевых единоборствах главная задача и состоит в том, чтобы при ударе передать мишени максимум энергии, это и определяет эффективность удара. Думаю, что боксеры нас поддержат. Чтобы результаты измерений были вполне однозначны, в качестве измеряемой энергии удара выбираем кинетическую энергию мишени после удара. Мишень конечно должна обладать физическими свойствами (массой и упругостью), не нарушающими биомеханику конкретного вида удара, и свободно перемещаться в направлении нанесения ударов. Для боксеров, например, можно взять боксерские груши именитых производителей, что позволит, во-первых, исключить проблему с биомеханикой, во-вторых, любой изготовитель будет абсолютно уверен в показаниях своего прибора, тем более что при правильно выбранной схеме калибровка вообще не требуется.
Предлагаю также ввести два дополнительных параметра, которые не только характеризуют силу удара, но еще и дают возможность оценить качество удара, правильность его нанесения.
В качестве таких двух параметров предлагаю выбрать максимальное значение силы, зарегистрированное за время удара (соударения) и само время удара (соударения).

Дополнительные параметры, которые хоть и сильно зависят от физических свойств, размеров и формы мишени и ударной конечности, при идентичных условиях измерений, то есть при одинаковой весовой категории спортсменов, при том же виде удара и той же мишени смогут характеризовать такие качественные характеристики удара как резкость, и мощность. Например, при одинаковой энергии удара более резким и мощным естественно будет удар, имеющий большую максимальную силу и меньшее время соударения.
Выбрав в качестве основного параметра энергию удара, мы практически исключаем зависимость результата измерений от свойств, размеров и формы ударной конечности. Точнее эта зависимость на порядок, на два становится менее выраженной.

В физическом плане эта зависимость объясняется тем, что часть энергии удара идет на деформацию мишени, а потери кинетической энергии при упругом ударе двух тел определяются коэффициентом восстановления, который в свою очередь как раз тоже зависит от упругих свойств соударяющихся тел, от их формы и массы. Но энергия деформации относительно энергии удара незначительна. Конечно, погрешность измерения слабых ударов будет велика, но они никого не интересуют, так как считаются неудачными. Как видим, точность измерений легко повысить, выбрав в качестве мишени каучуковый приемник удара, имеющий коэффициент восстановления близкий к единице, но это актуально больше для слабых ударов, а для сильных главное не нарушать биомеханику.
Могу предложить три, на мой взгляд, заслуживающих внимания способа определения энергии удара.
Простейший способ измерения энергии удара никакой техники вообще не требует. Достаточно знать школьный курс о кинетической и потенциальной энергии, а также ее сохранении. Для измерения энергии удара мишень известной массы «m» крепится на достаточно длинном подвесе (для точности) и замеряется величина отклонения мишени после удара по вертикали «h».Энергия удара будет равна mgh (g-ускорение свободного падения). Этим способом можно было бы измерять энергию ударов еще до нашей эры, причем с достаточно высокой точностью, например энергию удара олимпийского чемпиона по кулачному бою математика Пифагора, жившего более 2500 лет назад, не говоря уж о чемпионах по боксу прошлого и позапрошлого века.

Кстати, этот достаточно эффектный, наглядный и точный способ, можно применить и сейчас для установления рекордов Гиннеса, которые, как правило, фиксируются в большом зале при широкой аудитории.
Для конца прошлого века подошел бы способ измеряющий скорость мишени после удара с помощью устройства использующего эффект Доплера при распространении ультразвука. При правильно выбранной схеме калибровка здесь также не требуется (Регистрационный номер патента 2006130981).
На сегодняшний день самый лучший вариант – использование для измерения энергии и силы ударов, прецизионных двухосных или трехосных интегральных акселерометров (Регистрационный номер патента 2006130906).
Достоинство этого способа заключается в том, что удары по мишени можно наносить не в определенном, а в любом направлении, кроме ударов сверху. Хотя, используя другую конструкцию можно измерять энергию и таких ударов.

Кстати сила удара (как дополнительный параметр) в отличие от известных мне конструкций этим способом измеряется реально однозначно и очень точно (и не в каких-то там условных единицах, а в кг-с или ньютонах). Но хочу еще раз подчеркнуть – не придавайте этому параметру большого значения.
Этот способ позволяет не терять точности измерений даже в случае нанесения быстрой серии ударов, когда мишень раскачивается и не успевает принять исходное положение. Это позволяет суммировать энергию ударов с высокой точностью и правильно оценить физическую форму спортсменов. Например, в режиме определения физической формы спортсмена имитируется боксерский поединок с 3 или 12 раундами по три минуты с одноминутным перерывом. Суммируя энергию ударов за время поединка можно легко оценить физическую форму спортсмена.

В качестве акселерометров могут быть использованы интегральные акселерометры с цифровым выходом, высокая линейность и чувствительность которых позволит обойтись без дополнительной калибровки. В случае выбора акселерометров с аналоговым выходом калибровка также очень проста, так как в процессе измерений постоянно вычисляется g – ускорение свободного падения и появляется возможность организовать само калибрующуюся систему.
Таким образом, предлагаемый способ решает проблему достоверности измерений силы удара в спортивных единоборствах. Заявленное решение кроме точности обеспечивает технологичность измерений и решает вопрос об оценке физической формы спортсмена.
Применяя этот способ, мы и через тысячу лет будем знать «у кого был самый сильный удар», а не спорить об этом.

Абсолютное большинство людей даже с высшим техническим образованием смутно представляют, что такое сила удара и от чего она может зависеть. Кто-то считает, что сила удара определяется импульсом или энергией, а кто-то – давлением. Одни путают сильные удары с ударами, приводящими к травмам, а другие считают, что силу удара надо измерять в единицах давления. Попробуем внести ясность в эту тему.

Сила удара, как и любая другая сила, измеряется в Ньютонах (Н) и килограмм-силах (кгс). Один Ньютон – это сила, благодаря которой тело массой 1 кг получает ускорение 1 м/с 2 . Одна кгс – это сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 g = 9,81 м/с 2 (g – ускорение свободного падения). Поэтому 1 кгс = 9,81 Н. Вес тела массой m определяется силой притяжения Р, с которой он давит на опору: P = mg. Если масса Вашего тела 80 кг, то Ваш вес, определяемый силой тяжести или притяжением, P = 80 кгс. Но в просторечье говорят «мой вес 80 кг», и всем всё понятно. Поэтому часто о силе удара тоже говорят, что он составляет сколько-то кг, а подразумевается кгс.

Сила удара, в отличие от силы тяжести, достаточно кратковременна по времени. Форма ударного импульса (при простых столкновениях) колоколообразна и симметрична. В случае удара человека по мишени форма импульса не симметрична – она резко нарастает и относительно медленно и волнообразно падает. Общая длительность импульса определяется вложенной в удар массой, а время нарастания импульса определяется массой ударной конечности. Когда мы говорим о силе удара, мы всегда подразумеваем не среднее, а максимальное её значение в процессе соударения.

Бросим не очень сильно стакан в стенку, чтобы он разбился. Если он попал в ковёр, он может и не разбиться. Чтобы он разбился наверняка, надо увеличить силу броска, чтобы увеличить скорость стакана. В случае со стенкой – удар получился сильнее, так как стенка жёстче, и поэтому стакан разбился. Как мы видим, сила, действующая на стакан, оказалась зависящей не только от силы вашего броска, но также и от жёсткости места, куда попал стакан.

Так и удар человека. Только бросаем мы в мишень свою руку и часть тела, участвующую в ударе. Как показали исследования (см. «Физико-математическую модель удара »), часть тела, участвующая в ударе, на силу произведённого удара влияет мало, так как очень низка её скорость, хотя эта масса значительна (достигает половины массы тела). Но сила удара оказалась пропорциональна этой массе. Вывод простой: сила удара зависит от массы, участвующей в ударе, только косвенно, так как с помощью как раз этой массы происходит разгон нашей ударной конечности (руки или ноги) до максимальных скоростей. Также не забудьте, что импульс и энергия, сообщённая мишени при ударе, в основном (на 50–70%) определяется как раз именно этой массой.

Вернёмся к силе удара. Сила удара (F) в конечном счёте зависит от массы (m), размеров (S) и скорости (v) ударной конечности, а также от массы (M) и жёсткости (K) мишени. Основная формула силы удара по упругой мишени:

Из формулы видно, что чем легче мишень (мешок), тем меньше сила удара. Для мешка весом 20 кг по сравнению с мешком 100 кг сила удара уменьшается только на 10%. Но для мешков 6–8 кг сила удара уже падает на 25–30%. Понятно, что, ударив по воздушному шарику, какой-либо значительной величины мы вообще не получим.

Следующую информацию Вам придётся в основном принять на веру.

1. Прямой удар – не самый сильный из ударов, хотя и требует хорошей техники исполнения и особенно чувства дистанции. Хотя есть спортсмены, которые не умеют бить боковой, зато, как правило, прямой удар у них очень силён.

2. Удар локтём всего лишь немного сильнее прямого удара. И при кажущейся простоте требует своей техники и навыка (иначе он будет слабее прямого). Его разрушительность заключена в жёсткости всей ударной конструкции и поверхности. Нанося удар по мягкому мешку локтём либо коленом, мы не получим существенных показаний по силе, зато в бою те же удары по жёсткой мишени будут значительными по силе (а особенно по развиваемому давлению), что как раз и может привести к значительным травмам.

3. Сила бокового удара за счёт скорости ударной конечности всегда выше, чем прямого. Причём при поставленном ударе эта разница достигает 30–50%. Поэтому боковые удары, как правило, самые нокаутирующие.

4. Удар наотмашь (типа бэкфиста с разворотом) – самый лёгкий по технике исполнения и не требующий хорошей физической подготовки, практически самый сильный среди ударов рукой, особенно если ударяющий находится в хорошей физической форме. Только надо понимать, что его сила определяется большой контактной поверхностью, что легко достижимо на мягком мешке, а в реальном бою по той же причине при нанесении ударов по жёсткой сложной поверхности площадь контакта сильно уменьшается, сила удара резко падает, и он оказывается мало эффективным. Поэтому в бою требует ещё высокой точности, что совсем не просто реализовать.

5. Удар ногой немного проигрывает боковому удару в скорости, но всё равно сильнее за счёт массы и особенно площади ударной конечности.

Ещё раз подчеркнем, что удары рассмотрены с позиции силы, причём по мягкому и большому мешку, а не по величине наносимых повреждений.

Снарядные перчатки ослабляют удары на 3–7%.

Перчатки, используемые для соревнований, ослабляют удары на 15–25%.

Для ориентира результаты измерений силы поставленных ударов должны быть следующими:

Савельев В.Н., 15.01.09 г., 02.04.09 г., 25.12.15 г.

Нравится