Vật lí học và Bóng đá - Phần 2 - Roberto Carlos

Trở lại với Roberto Carlos

Tất cả những điều này giải thích như thế nào về cú sút của Roberto Carlos? Mặc dù chúng ta không thể chắc chắn hoàn toàn, nhưng sau đây có lẽ là lời giải thích hợp lí của cái đã diễn ra.

Carlos đã vào quả bóng với má ngoài chân trái của anh để làm cho nó quay tròn ngược chiều kim đồng hồ theo hướng anh nhìn xuống nó. Thời tiết khô ráo, nên lượng chuyển động quay mà anh trao cho quả bóng là cao, có lẽ hơn 10 vòng/giây. Việc đá nó với má ngoài bàn chân cho phép anh đá quả bóng thật mạnh, có lẽ hơn 30 ms-1.
Dòng không khí phía ngoài bề mặt quả bóng bị xoáy, gây cho quả bóng một lực kéo theo tương đối thấp. Đi vào quỹ đạo của nó – có lẽ khoảng tại vạch 10 m (hoặc khoảng tại vị trí của hàng rào hậu vệ) – vận tốc của quả bóng giảm nên nó đi vào chế độ chảy thành lớp. Điều này về cơ bản làm tăng lực kéo theo tác dụng lên quả bóng, làm cho nó chậm đi nữa. Sự chậm đi này cho phép lực Magnus hướng sang bên, lực đang bẻ quả bóng về hướng khung thành, tham gia vào hiệu ứng. Giả sử lượng chuyển động quay không bị mất quá nhiều, thì hệ số kéo theo tăng lên. Điều này gây ra lực hướng sang bên còn lớn hơn nữa và làm cho quả bóng bẻ cong hơn nữa. Cuối cùng, khi quả bóng chậm lại, độ cong ấy còn rõ nét hơn (có lẽ do sự tăng hệ số nâng) cho đến khi nó chạm vào lưới khung thành – trước sự hân hoan của các nhà vật lí trong đám đông khán giả.

Nghiên cứu hiện nay về chuyển động của quả bóng đá

Có nhiều nghiên cứu về bóng đá hơn việc chỉ đơn giản nghiên cứu chuyển động của quả cầu đang bay. Các nhà nghiên cứu còn háo hức tìm hiểu xem một cầu thủ thật ra đá quả bóng như thế nào. Chẳng hạn, Stanley Plagenhof tại Đại học Massachusetts ở Mĩ đã nghiên cứu động học của cú sút – nói cách khác, bỏ qua các lực có liên quan. Các nhà nghiên cứu khác, như Elizabeth Roberts cùng các cộng sự tại Đại họcWisconsin, thì thực hiện các phân tích động lực học của cú sút, tính đến các lực có liên quan.

Những cách tiếp cận thực nghiệm này đã mang lại một số kết quả thú vị, mặc dù nhiều thách thức vẫn còn đó. Một trong những trở ngại quan trọng nhất là sự khó khăn của việc đo chuyển động vật lí của con người, một phần vì chuyển động của họ quá khó tiên đoán trước. Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong việc phân tích chuyển động với sự hỗ trợ của máy tính đã thu hút nhiều sự chú ý vào khoa học thể thao, và, với sự hỗ trợ của các phương pháp khoa học mới, hiện nay người ta đã có thể thực hiện các phép đo chính xác ở mức hợp lí của chuyển động của con người.

Thí dụ, hai trong các tác giả (TA và TA) và một đội nghiên cứu tại Đại học Yamagata ở Nhật Bản đã sử dụng một phương pháp khoa học điện toán phối hợp với các phương pháp động lực học mang tính truyền thống hơn để mô phỏng cách thức các chân sút đá vào quả bóng. Những mô phỏng này đã cho phép tạo ra các cầu thủ bóng đá “ảo” thuộc những hạng khác nhau – từ những mới tập chơi và trẻ con cho đến giới chuyên nghiệp – để chơi trong không gian và thời gian ảo trên máy tính. Các nhà sản xuất dụng cụ thể thao, như ASICS Corporation, hãng tài trợ cho dự án Yamagata, cũng thấy hứng thú với công việc đó. Họ hi vọng sử dụng các kết quả để thiết kế ra những dụng cụ thể thao an toàn hơn và hiệu quả hơn có thể hoạt động nhanh hơn và kinh tế hơn so với các sản phẩm hiện có.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Yamagata ở Nhật Bản đã sử dụng phép phân tích phần tử hữu hạn để mô phỏng cách thức người ta đá bóng. Minh họa này thể hiện sự biến dạng trên chân và trên quả bóng, biến đổi từ màu hồng (thấp nhất) sang màu xanh lam, xanh lục và vàng rồi đến đỏ (cao nhất). Những nghiên cứu này xác nhận những cái đa số các cầu thủ đều biết. Nếu bạn đá quả bóng hơi lệch tâm một chút với má trước bàn chân của bạn – và với mắt cá chân của bạn uốn cong thành hình chữ “L” – thì quả bóng sẽ uốn cong trong khi bay. Điều này làm cho lực đặt vào tác dụng như một mômen quay, làm cho quả bóng xoay tròn, cho phép hiệu ứng Magnus tham gia vào cuộc chơi.

Chuyển động của các cầu thủ được theo dõi bằng video tốc độ cao 4500 khung hình/giây, và tác dụng của bàn chân lên quả bóng khi đó được nghiên cứu với phương pháp phân tích phần tử hữu hạn. Các thí nghiệm ban đầu chứng tỏ cái đa số các cầu thủ đều biết: nếu bạn đá quả bóng thẳng hướng với mu bàn chân của bạn sao cho bàn chân chạm vào quả bóng theo hướng xuyên tâm hấp dẫn của quả bóng, thì quả bóng bay đi theo đường thẳng. Tuy nhiên, nếu bạn đá quả bóng với má trước chân của bạn và với góc giữa chân bạn và quả bóng là 90o, thì nó sẽ bay theo đường cong. Trong trường hợp này, tác dụng là lệch tâm. Điều này làm cho lực đặt vào tác dụng như một mômen quay, vì thế làm cho quả bóng xoay tròn.

Các kết quả thực nghiệm cũng chứng tỏ rằng chuyển động xoay tròn mà quả bóng thu được liên quan chặt chẽ với hệ số ma sát giữa bàn chân và quả bóng, và với khoảng cách thẳng góc [cánh tay đòn] giữa chân và tâm hấp dẫn của quả bóng. Mô hình phần tử hữu hạn của tác dụng của bàn chân lên quả bóng, viết bằng phần mềm DYTRAN và PATRAN của tập đoàn MacNeal Schwendler, được sử dụng để phân tích những sự kiện này bằng phương pháp số. Nghiên cứu này cho thấy sự tăng hệ số ma sát giữa quả bóng và bàn chân làm cho quả bóng thu nhiều chuyển động quay hơn. Cũng sẽ có chuyển động quay nhiều hơn nếu điểm đặt của lực tính theo phương vuông góc càng xa tâm hấp dẫn của quả bóng. Hai hiệu ứng thú vị khác cũng được quan sát thấy. Thứ nhất, nếu khoảng cách tính theo phương vuông góc tăng lên, thì bàn chân chạm vào quả bóng trong một thời gian ngắn hơn và trên một diện tích nhỏ hơn, làm cho chuyển động quay lẫn vận tốc của quả bóng chậm đi. Do đó, có một nơi tối ưu để đá vào quả bóng nếu bạn muốn chuyển động quay cực đại: nếu bạn đá vào quả bóng quá gần hoặc quá xa tâm hấp dẫn của nó, thì nó sẽ không thu được chút chuyển động quay nào hết.

Hiệu ứng thú vị còn lại là cho dù hệ số ma sát bằng không, thì quả bóng vẫn thu được một ít chuyển động quay nếu bạn đá vào nó với cánh tay đòn của lực đá khác không. Mặc dù trong trường hợp này không có lực tiếp tuyến song song với chu vi của quả bóng (vì hệ số ma sát bằng không), tuy nhiên quả bóng bị biến dạng về phía tâm của nó, làm cho một phần lực tác dụng đâu đó tại tâm hấp dẫn của nó. Vì thế, có thể làm xoay tròn một quả bóng đá trong một ngày mưa, mặc dù chuyển động quay đó sẽ kém hơn nhiều so với khi thời tiết khô ráo.

Tất nhiên, phân tích trên có một vài hạn chế. Không khí phía bên ngoài quả bóng đã bị bỏ qua, và đã giả sử rằng không khí bên trong quả bóng hành xử theo một mô hình dòng chất lưu nhớt, nén được. Trên lí tưởng thì cả không khí bên trong lẫn bên ngoài quả bóng phải được tính đến, và hệ số nhớt mô phỏng bằng các phương trình Navier-Stokes. Cũng đã giả sử rằng bàn chân là đồng đều, khi hiển nhiên rằng một bàn chân thực tế thì phức tạp hơn nhiều. Mặc dù không thể tạo ra một mô hình hoàn hảo để đưa mỗi yếu tố vào tính toán, nhưng mô hình này thật sự bao gồm những đặc điểm quan trọng nhất.

Nhìn về tương lai, hai trong số chúng ta (TA và TA) còn có kế hoạch nghiên cứu tác dụng của các loại giày tất khác nhau đối với việc đá vào quả bóng. Đồng thời, ASICS đang kết hợp các mô phỏng phần tử hữu hạn Yamagata với cơ sinh học, sinh lí học và khoa học vật liệu để thiết kế ra các loại giày bóng đá. Tuy nhiên, điều tối hậu là người cầu thủ mới gây ra sự khác biệt – và không có năng lực thì công nghệ cũng là vô dụng.

Tiếng còi chung cuộc

Vậy chúng ta có thể học được những gì từ Roberto Carlos? Nếu bạn đá vào quả bóng đủ mạnh cho dòng không khí bên ngoài bề mặt trở thành xoáy, thì lực kéo theo vẫn nhỏ và quả bóng sẽ thật sựbay đi. Nếu bạn muốn quả bóng bay theo đường cong, thì hãy cấp cho nó nhiều chuyển động quay bằng cách đá vào nó lệch tâm. Yêu cầu dễ thực hiện vào một ngày khô ráo hơn là một ngày ẩm ướt, nhưng vẫn có thể thực hiện bất kể thời tiết. Quả bóng sẽ chuyển động cong nhiều nhất khi nó chuyển động chậm dần vào chế độ chảy thành lớp, nên bạn cần phải tập luyện để đảm bảo rằng sự chuyển tiếp này xảy ra ở đúng chỗ thích hợp – thí dụ, ngay sau khi quả bóng đi qua hàng rào hậu vệ. Nếu thời tiết ẩm ướt, bạn vẫn có thể làm cho quả bóng xoay, nhưng tốt hơn bạn nên giữ cho quả bóng (và đôi giày của bạn) khô ráo.

Các đây gần 90 năm trước, J J Thomson đã thuyết giảng tại Viện Hoàng gia ở

London về động lực học của các quả bóng golf. Ông được trích dẫn đã nói như sau: “Nếu chúng ta có thể chấp nhận những lời giải thích của hành vi của quả bóng do nhiều người đóng góp mang lại cho kho tài liệu rất đồ sộ đã được sưu tập về trò chơi này... thì tôi sẽ trình bày trước quý vị trong buổi tối hôm nay một cơ sở động lực học mới, và thông báo rằng vật chất, khi cấu tạo nên các quả bóng [golf] tuân theo các định luật của một đối tượng hoàn toàn khác với các đối tượng chi phối hoạt động của nó trong bất kì điều kiện nào khác”. Trong bóng đá, ít nhất, chúng ta có thể chắc chắn rằng mọi thứ đã diễn ra hợp quy luật khoa học.

Sưu tầm.

Tag: Sân bóng đá mini, Bên lề sân cỏ, Tin tức sân cỏ, Cho thuê sân bóng