【精品】足球上的力学知识38

,足球上的力学知识,五、高二开学段 最后整理 进行答辩,详细研究成果与结论,(一)初期讨论(二)运动足球的粘滞性(三)“香蕉球”的浅讨(四)“香蕉球”的深讨(五)深入理想流体做定常流动探究(六)足球技术分析,（一） 初期讨论提出问题1：足球运动的哪些行为和力有关？ 岭:第一,足球在下落时受到地球的吸引力;第二,足球在改变运动方向时受到运动员的作用力.覃:运动员对球施加了作用力,使球由静止变为运动.豪:球在草坪上运动时,受到草坪对它的摩擦力,所以球的滚动速度逐渐变小,因为摩擦力阻碍足球的运动.问题2：我们现在思考一下,足球运动员状态发生改变有哪几种表现形式？ 岭:大概有三种情况,速度大小发生改变,速度方向发生改变,速度的大小和方向都发生改变.问题3：足球场的草是增大了摩擦还是减少了摩擦？豪:应该是增大了摩擦,因为如果是减少摩擦,问题就很复杂,大体上还是增大,因为草有一定的高度,也起到 一些阻碍作用.到水泥地,篮球场上进行足球比赛是不可想象的.谈论贝克汉姆ing贝克汉姆是为世界球迷所倾倒的明星,他有什么特点覃:我知道他擅长发任意球.岭:那么任意球有那些种类呢？豪:有地滚球,高空球,内旋球和外旋球.实践ing让我们实践体验足球的受力运动实践关注：1.不同运动类型的球,脚的作用点放在哪里 2. 关于草坪的摩擦力是增大还是减少(和水泥操场相比)结论1：踢在球的不同部位,球的运动状态是不同的,要使球的运动状态受自己的指挥,就必须掌握其中的规律.内旋球就用内脚背踢.如果是外旋,就用外脚背踢.踢球要考虑作用点,球的重心,空气的阻力,这时力的方向不在重力作用线上. 踢在球的不同部位,球的运动状态是不同的,要使球的运动状态受自己的指挥,就必须掌握其中的规律.,结论2:运球和运球过人技术的动力结构,运球和运球过人技术的动力结构，主要指的是影响运球和运球过人时，人体位移速度和球运行轨迹的力学关系结构。 1、影响运球和运球过人时人体位移速度的动力因素运球时，由于运球脚完成推拨球动作，破坏了连续跑动的结构和习惯性平衡，必然会影响人体位移速度。所以，当比赛中需要快速动球推进，前方又没有对手阻挡时，就不必要每一周期运球脚都推拨一次球。可以触球一次，快跑几步，再触球一次，这时推触球的力量就可以大些。做到球快人也快。运球时，采用脚背内侧和脚内侧推拨球，又如采用脚背正面，脚背外侧能同时跑的动作协调起来。因为脚背正面和外侧前摆触球后，运球脚很自然地过渡地踏地支撑后蹬。所以，当比赛中需要快速推进时，应采用脚背正面或外侧触球，甚至脚尖捅球的方法。运球过人时，运球脚很难再起到蹬地起动的作用，因此，运球脚的主要任务是完成拨、拉、扣、挑等动作。支撑脚采用爆蹬地的方向和时间同运球脚触球的方向和时间相适应。 2、影响运球和运球过人时球运行轨迹的动力因素 脚内侧和脚背正面接触球的面积，相对比其它部位大，因此推拨球时，容易掌握球运行的方向。 运球脚触球的部位和作用力的方向不同，其球运行的方向也不同。采用脚内侧触球的侧部，球向侧运行；采用脚背正面触球的后部，球向前运行；采用脚背内侧触球的侧后方，球向侧前方运行；采用脚背外侧触球的后方或侧后方，球向前或向侧前方运行。一般直线运球采用脚背正面或外侧，曲线运球采用脚背内侧或外侧。 运球脚触球的作用力不通过球心时，球体产生旋转。当球刚离脚产生旋时，速度很快。但由于流体力学的原理，球上沿空气流速快，球下沿空气压力大，且需克服地面摩擦力，球速很快减慢。运球时，往往为了不使球触离太远，常采用回旋触球方法。当球产生侧旋时，不仅球速有所减慢，而且球由直线运行变成弧线运行。运球时，往往为了改变球的运行方向常采用侧旋触球方法。 在运球过人过程中，拨、拉、扣、挑的动作其动力因素，都可突然改变运行的方向，即改变球的位置，使对手虽有可能触到球，但又不能先于运球人触到球。,(二)运动足球的粘滞性,这里先来看一个例子： 齐达内任意球的科学解释 据每日电讯报报道，法国队在伤停补时的三分钟时间里的两个精彩入球，将英格兰队到手的胜利化为泡影。英国人在伤心之余也在问：在距离球门二三十米的地方，前面有人墙，还有守门员把住最后一关，齐达内踢出的球究竟是如何飞进球网的？ 英人希望输也要输个明白，因为这个进球决非“香蕉球”可以解释的。于是，英国科学家被请了出来，对齐达内的入球过程从科学家的角度进行分析。他们发现，齐达内进球之至少有三个原因：后卫摆的人墙有缺陷；这是一个典型的香蕉球，势大力沉有弧线；守门员的视野不开阔，或许还因为比赛的前一晚没睡好。 也有人认为，这个进球与欧锦赛首次使用的被命名为“罗泰罗”的新式无接缝皮球也不无关系。这种足球是由阿迪达斯公司研制的，在欧锦赛开赛前由一些球星进行了试验。贝克汉姆表示，这种球下沉的速度很快，非常适合擅长罚任意球的球员使用。 谢菲尔德大学的马特-卡尔博士也同意哈纳博士的解释。齐达内踢出的这个球球速很快，而且带有弧线。卡尔说：“等詹姆士看到皮球的时候，它已经飞进球网了。”这次使用的无缝皮球也是一个重要因素。在谢菲尔德大学所做的风洞试验中发现，由于这种足球的表面更加光滑，周围的气流可以从湍动过渡到平稳，增大了下沉力，使球的飞行轨迹的弧度增加，加大了守门的难度。 在这里，我们要注意无接缝皮球在空气中的滞后性。那么，有缝足球与无缝足球在空气中受空气流体力又有什么区别呢？ 以下先讨论一个问题：,为什么高尔夫球的表面有凹凸？,高尔夫球的表面有很多凹凸。 如果表面光滑，应该能够减少空气的阻力，飞得更远，但是为什么要有凹凸面存在呢？ 用高尔夫球杆打球时，球杆划破高尔夫球周围的空气壁，使球飞出。球周围的空气好像缠着球似的，在球的周围转动，然后飞到球的后方。如果球的表面是光滑的，缠着球的空气往后流时，气流是混乱的，这种情况称为乱流。乱流的存在，会使飞出的球被往后拉回，好像被踩了刹车一样。 可是有凹凸面的球，由于周围的空气不规则纠缠，反而会使乱流缩小。因此，将球拉回，的作用就会减弱，这样表面凹凸的高尔夫球的飞行距离就能够比光滑的球多飞远23倍。 在人们还没有这种认识之前，早期的高尔夫球据说是先将皮革缝成球形，然后里面塞满羽毛做成，表面并没有凹凸。 被命名为“罗泰罗”的新式无接缝皮球表面光滑，周围的气流可以从湍动过渡到平稳，增大了下沉力，使球的飞行轨迹的弧度增加。 可见，无接缝足球比有缝足球在空气中受空气滞后更强，增大了下沉力。,(三)“香蕉球”的浅讨,如果你经常观看足球比赛的话，一定见过罚前场直接任意球。这时候，通常是防守方五六个球员在球门前组成一道“人墙”，挡住进球路线。进攻方的主罚队员，起脚一记劲射，球绕过了“人墙”，眼看要偏离球门飞出，却又沿弧线拐过弯来直入球门，让守门员措手不及，眼睁睁地看着球进了大门。这就是颇为神奇的“香蕉球”。 图一足球在没有旋转 图二足球只有旋转而 图三香蕉波-足球水平运动 下水平运动的情形(在 没有水平运动的情形 和旋转两种运动同时存在的情形 此图中球正在向前运动) 让我们先看看附图，图中的线代表的是空气流动的情形。图一代表足球在没有旋转下水平运动的情形，当足球向前运动，空气就相对于足球向后运动。图二代表足球只有旋转而没有水平运动的情形，当足球转动时，四周的空气会被足球带动，形成旋风式的流动。图三代表水平运动和旋转两种运动同时存在的情形，也即是香蕉波的情形。,我们知道当球在空中飞行时，若不但使它向前，而且使它不断旋转，由于空气具有一定的粘带性，因此当球转动时，空气就与球面发生摩擦，旋转着的球就带动周围的空气层一起转动。若球是沿水平方向向前运动，同时绕垂直纸面的轴做顺时针方向转动，则空气流相对于球来说除了向后流动外，还被球旋转带动的四周空气环流层随之在顺时针方向转动。这样在球右方的空气速度除了向后的平动外还有转动，两者方向一致；而在球的左方，平动速度（向后）与转动速度（向前）方向相反，因此其合速度大于球右方空气的合速度。根据流体力学的伯努利定理，在速度较大一侧的压强比速度较小一侧的压强为小，所以球右方的压强小于球左方的压强。球所受空气压力的合力左右不等，总合力向右。结果足球一面向前走，一面承受一个把它推向右的力，造成了弯曲球。原来我们在日常生活中也经常应用这个原理使物体在流体中的运动方向改变，例如飞机和帆船的运作都是基于这个原理。,图一足球在没有旋转 图二足球只有旋转而 图三香蕉波-足球水平运动 下水平运动的情形(在 没有水平运动的情形 和旋转两种运动同时存在的情形 此图中球正在向前运动),(四)“香蕉球”的深讨,在研究香蕉球的录象时发现，通过慢镜头可以看到，足球在往前飞行的过程中，自身还在快速旋转，而其他直线飞行的足球，没有看到强烈的旋转。难道这旋转就是香蕉球的神秘力量所在？我们带着这个问题做了两个小实验。 一、平行的放两张纸，向它们中间吹气， 会把两张纸吹开吗？二、把一个乒乓球放在倒置的漏斗中间， 向漏斗口吹气，会把乒乓球吹跑吗？,实验的结果是纸没有被吹开，反而靠拢了，乒乓球没有被吹掉，反而贴在漏斗上。这是为什么呢？这两个实验与香蕉球又有什么联系呢？ 我们通过上网搜集资料和阅读有关材料后知道，这个现象和物理学中的一个重要分支-流体力学中的空气动力学有关。下面是香蕉球的空气动力学原理。 这个现象与空气的流动有关，在进行研究时采用简单的物理模型，这就是理想流体的定常流动。（在物理学中通常把液体和气体统称为流体。）液体不容易被压缩，在不很精确的研究中可以认为液体不可压缩。气体容易压缩，但在研究气体流动时，如果气体的密度没有显著变化可以把气体作为不可压缩处理。当流体流动时，速度不同的各层流体间有摩擦力，也就是流体具有粘滞性，一般油类的粘滞性较大，水、酒精的粘滞性较小，气体的粘滞性更小。在粗略的研究中我们可以认为气体没有粘滞性。不可压缩的、没有粘滞性的流体称为理想流体。 如果流体质点经过空间各点的流速虽然不同，但空间每一点的流速不随时间而改变，这样的流动叫做定常流动。象自来水管中的水流，石油管道中的石油流动，都可以看作定常流动。,(五)深入理想流体做定常流动探究,接下来我们研究一下理想流体做定常流动时，流体中压强和流速的关系。如下图所示表示一个细管， 其中流体由左向右流动。在管的a1处和a2处用横截面截出一段流体，即a1和a2之间的流体，作为研究对象。a1处的截面积为S1，流速为v1，高度为h1。a1处左边的流体对研究对象的压强为p1，方向垂直于S1向左。a2处的横截面积为S2，流速为v2，高度为h2，a2处右边的流体对研究对象的压强为p2，方向垂直于S2向左。经过很短的时间间隔t，这段流体的左端S1由a1移到b1，右端S2由a2移到b2，两端移动的距离分别为l1和l2，左端流入的流体体积为V1= S1l1，右端流出的流体体积为V2=S2l2，理想流体不可压缩，流入和流出的体积相等，V1=V2，记为V。 现在考虑左右两端的力对这段流体所做的功。作用在左端的力F1=p1S1，所做的功W1=F1l1= p1S1l1= p1V。作用在右端的力F2=p2S2，所做的功W2=-F2l2= -p2S2l2= -p2V。,外力所做的总功,外力做功使这段流体的机械能发生改变。初状态的机械能是a1到a2这段流体的机械能E1，末状态的机械能是bl到b2这段流体的机械能E2。由bl到a2这一段，经过时间 t，虽然流体有所更换，但由于我们研究的是理想流体的定常流动，流体的密度和各点的流速v没有改变，动能和重力势能都没有改变，所以这一段的机械能没有改变。这样，机械能的改变E2-El就等于流出的那部分流体的机械能减去流入的那部分流体的机械能。,由于,所以流入的那部分流体的动能为,重力势能为,流出流体的动能为,重力势能为,机械能的改变为,理想流体没有粘滞性，流体在流动中机械能不会转化为内能，所以这段流体两端受的力所做的总功W等于机械能的改变E2-E1，即W=E2-E1 (3)将(1)式和(2) 式代人(3)式，得,整理后得,a1 和a2 是在流体中任意取的，所以上式可表达为：对管中流体的任意处，,(4)式和5式称为伯努利方程。 流体水平流动时，或者高度差的影响不显著时(如气体的流动)，伯努利方程可表达为:,从(6)式可知，在流动的流体中，压强跟流速有关，流速v大的地方压强P小，流速V小的地方压强P大。知道压强和流速的关系，就可以解释本节开始所做的实验了。经过漏斗吹乒乓球时，乒乓球上方空气的流速大，压强小，下方空气的压强大，乒乓球受到向上的力，所以会贴在漏斗上不掉下来。向两张纸中间吹气时，两张纸中间空气的流速大，压强小，外边空气的压强大，所以两张纸会贴近。同样的道理，两艘并排的船同向行驶时，如果速度较大，两船会互相靠近，有相撞的危险。历史上就曾经发生过这类事故。在航海中，对并排同向行驶的船舶，要限制航速和两船的距离。,球类比赛中的旋转球，具有很大的威力。旋转球和不转球的飞行轨迹不同，是因为球周围空气流动情况不同造成的。不转球的上方和下方流线对称，流速相同，上下不产生压强差。现在考虑球的旋转，转动轴通过球心且垂直于纸面，球逆时针旋转。球旋转时会带动周围的空气跟着它一起旋转，致使球的下方空气的流速增大，上方的流速减小。球的下方流速大，压强小，上方流速小，压强大。跟不转球相比，旋转球因为旋转而受到向下的力，飞行轨迹要向下弯曲。右图表示乒乓球的上旋球，转动轴垂直于球飞行的方向且与台面平行，球向图示方向旋转。左图表示的就是上旋球周围空气的流线。在相同的条件下，上旋球比不转球的飞行弧线要低。下旋球正好相反，球向图示反方向旋转，受到向上的力，比不转球的飞行弧线要高。,所以从上面的理论分析可以知道，要踢出香蕉球必须满足两个条件：第一个就是要使球旋转，第二个就是要使球前进。为了满足这两个条件，在踢球时，必须使脚和球要有剧烈的侧向摩擦，才能使球有高速的旋转，从而打出高质量的香蕉球。 有了上面的理论知识作指导，我们又到操场上去实验了一次，这一次的效果比没有研究这个课题之前好多了。这一次研究使我们对足球运动的魅力有了更深入的了解，也使我们对物理的学习兴趣得到了提高。,(六)足球技术分析,一、运球及运球过人二、踢球三、接球 四、头顶球 五、抢、断球 六、守门员技术,运球是指运动员在跑动中为将球控制在自身范围内，用脚部进行的推拨球动作。采用此类方法突破防守队员时，称为运球过人。 运球及运球过人是运动员控球与进攻能力的具体表现形式，熟练掌握与合理运用运球及运球突破技术，对调控比赛节奏、丰富战术变化、破解密集防守、创造射门机会都具有实际的意义。,一、运球及运球过人,（一）运球 （二）运球过人,1运球动作分析 2运球动作方法 （1）脚背外侧运球（2）脚背正面运球 （3）脚背内侧运球 （4）脚内侧运球,1运球过人动作分析 2运球过人动作方法 （1）强行突破（2）假动作突破 （3）变向突破 （4）变速突破 （5）人球分离突破,1运球动作分析,运球技术包括跑动与触球两方面要素：运球的跑动具有步幅小、频率快、重心低的基本特征。这种跑动方式有助于队员及时调整身体与球的位置关系，适应运球急停、变速和变向的临场需要；运球的触球是一种推拨式的触球方式，这种方式有助于球员对运球力量、方向进行有效的支配和控制。跑动与触球动作的协调转换和有序交替，便构成运球的动作过程。 一个运球动作过程，包含有多种触球的动作方法。但无论哪种触球方法，完成一次运球动作都要经历以下三个阶段： （1）支撑脚踏地蹬送：蹬送的作用是推动人体重心前移，维持身体相对平衡，保证运球脚顺利完成触球动作。这一阶段，应尽量缩短支撑时间，积极蹬送，以加速重心的移动。 （2）运球脚前摆触球：在支撑脚蹬送的同时，运球脚前摆触球给球以推动力，触球动作包括触球部位、触球时间、触球力量、触球方向等要素。只有准确协调地把握好这些技术要素，才能对球进行有效地支配和控制。 （3）运球脚踏地支撑：触球后运球脚应顺势落地支撑，并随即过渡为蹬送动作，以保证重心移动的连续性，使人体与球的运动保持高度的密切和协调，从而保证整个运球过程的连贯和流畅。 在运球过程中，撑、蹬、摆、送动作是有序的统一体，因此整个动作要协调连贯，并重点解决好运球脚的前摆触球环节，这是掌握和提高运球技术的关键。,2运球动作方法（1）脚背外侧运球： 脚背外侧运球动作的特点是灵活性、可变性强，可做直线、弧线和向外变向运球，易于控制运球方向和发挥运球速度，并便于对球进行保护。动作方法 直线运球时，自然跑动，步幅偏小，上体稍前倾，两臂协调摆动。运球脚屈膝提起前摆，脚趾稍内转斜下指，摆至球体上方时，用脚背外侧推拨球的后中部，重心随球跟进。 曲线运球时，触球作用力方向应偏离球心，使球呈弧线运行。变向运球时，应根据变向角度的大小，调整支撑脚的位置、触球部位及运球脚用力方向，以保证蹬摆用力与推拨触球动作协调一致。易犯错误运球脚直腿前摆，难以控制推拨力量；膝踝关节僵硬，影响控球效果；身体重心偏高或坐后，影响重心跟进。纠正方法强调运球脚屈膝提起后自然下放推拨球，反复交替进行；要求膝、踝关节的适度紧张和自然放松有机结合；运球过程中要保持躯体稍前倾，重心略下沉的状态；,（2）脚背正面运球： 脚背正面运球动作的特点是直线推拨，速度快，但路线单一，运进时前方需有较大的纵深距离。动作方法 自然跑动，步幅稍小，上体稍前倾，两臂协调摆动，运球腿屈膝提起前摆，脚背绷紧，脚跟提起，脚趾下指，用脚背正面推拨球后自然落步。易犯错误运球脚推拨球部位及方法不当，难以控制运球的力量和方向；膝、踝关节僵硬，变推拨为捅击动作，控制不住球；支撑脚偏后，推拨球后重心滞后，导致人球分离。纠正方法强调运球脚脚跟提起，脚尖下指，以脚背正面推拨球；运球腿膝、踝关节要张驰交替、放松协调，要以推拨方式控制运球的力量和方向；要求支撑脚尽可能地接近球，使球始终处于身体的有效控制范围。,（3）脚背内侧运球： 脚背内侧运球的动作特点是控球稳，运球速度较慢，适用于掩护性运球或运球变向。动作方法自然跑动，步幅稍小，上体略前倾并向球侧稍转，两臂协调摆动。运球腿屈膝提起，脚尖稍外转，前摆用脚背内侧部位向侧前推拨。易犯错误身体重心过高或侧倾不够，影响运球变向；推拨球动作不稳定，影响控球效果。纠正方法运球过程中，要保持重心稍下沉、躯体略侧倾的状态；推拨球动作的相对稳定，才能有效地控制推拨球力量与方向。,（4）脚内侧运球： 脚内侧运球的动作特点是易控球，但速度慢，适用于掩护性运球。动作方法支撑脚在球的侧前落位，膝微屈，上体稍前倾侧向球，随重心前移运球脚膝外转，用脚内侧部位推运球前进。易犯错误支撑脚选位不当，挡住球路或影响运球脚做动作；运球腿膝、踝关节僵硬，直腿推拨球，动作紧张。纠正方法支撑脚的脚趾方向要与运球方向保持一致；强调运球腿自然屈膝提起，膝踝外转，推拨球后自然落步，交替进行。,运球过人是在运控球的基础上，根据临场需要，准确判断和把握对手的防守站位和重心变化情况，利用速度、方向或动作变化，获得时间和空间位置优势，从而突破防守的一种技术手段。运球过人从动作过程可大体分为三个阶段。（1）逼近调动阶段 ：当运球逼近对手时，重心应下降，步幅要收小，触球要轻，在控制与保护好球的同时，利用各种假动作诱使对手上当，使对手在忙乱中出现防守错误或漏洞。 （2）运球超越阶段 ：在相持情况下，运球队员应通过有效的假动作诱惑对手，以期创造出有利于突破的时间差和位置差。并不失时机地迅速突破。动作应突然，具有爆发性。,1运球过人动作分析,（1）,（2）,（3）跟进保护阶段： 在进行突破动作的同时，身体重心应积极向球侧倾移，以保证超越后身体重心能随球跟进，有利于加速拉大与对手的距离。这一阶段，为了防止对手的逼抢，要注意利用身体护球，以巩固和发展自己的攻势。运球过人从实战意义上讲，是创造机会和利用机会的有效手段，要达到运球突破的目的，在行动上应注意以下几点：突破时机。突破时机是指在突破的瞬间，由于攻防队员在意识与行动上的不同步，而出现的一种有利于运球突破的时空差异。这种时机极为短暂，稍纵即逝。因此，突破队员首先要有创造机会的主动意识，其次要积极预测这种机会的出现时机，最后应能不失时机地把握住这种机会。突破距离。突破距离是指在突破前的瞬间，进攻队员与防守队员相互间存在的距离。合理的突破距离应是使对手感觉他能够抢到球，但实际上又不可能先于自己触到球的一种距离。这种距离上的错觉，往往会诱使防守队员盲动而陷入被动境地。速度和方向变化。速度和方向变化是调动和超越防守队员的必要手段。无论是变速或是变向突破，其成功的关键往往取决于变化的突然性、灵活性和多变性，只有这样才能令对手猝不及防和防不胜防。在运球变速和变向时，身体重心的良好控制和灵活转换具有实际意义，是人随球走，球随人变，人球合一的技术保证。,2运球过人动作方法,（1）强行突破 ：指利用速度优势，以突然快速的推拨球和爆发式的起动，加速超越防守队员的动作方法。实施强行突破时，通常要求防守队员身后有较大的纵深距离，从而使速度优势能够得到充分发挥。（2）假动作突破：指运动员利用各种虚晃动作迷惑对手，如假射、假传、假停等。使其不知所措或贸然盲动失去重心，并乘机突破的动作方法。实施假动作突破时，要真真假假，真假结合，假动作要逼真，其动作要快捷，在控好球的同时，能够有效调动对手，利用其重心错位进行突破。,（3）变向突破：指队员利用灵活的步法和娴熟的运球技术，不断改变球路，使对手防守重心出现错位，并利用出现的位置差乘机突破的动作方法。实施变向突破时，运球队员脚下控球要娴熟，步法要灵活，重心变幻随心所欲，变向动作要突然，变向角度要合理。,（4）变速突破：指队员通过速度的变化，打乱对手的速度节奏，并利用产生的时间差乘机突破的动作方法。实施变速突破时，节奏变化要鲜明，做到骤停疾起，要充分利用攻方的先决优势去支配和调动对方，真正做到你快我慢，你停我走，使对手无从适应。,（5）人球分离突破：指运球队员利用对手站位过死或重心移动过猛时，突然推球从