اسرار شوت های کات دار بر اساس قوانین فیزیک

این قانون برای ما مثل روز روشن است که هر کنشی، واکنشی در پی دارد. در این قانون، واکنش نیرویی برابر کنش و البته خلاف جهت آن است؛ شما هر روز به زمین نیرو وارد می کنید و زمین هم همان نیرو را به شما وارد می کند. حال وسیله ای پروازی مثل هواپیما را تصور کنید؛ هواپیما چطور به سمت بالا صعود می کند؟ ساده ترین جواب آن است که باید قبل از آن، اعمال نیرویی به سمت پایین اتفاق افتاده باشد. جهان، جهان کنش و واکنش است و وسائل پروازی هم مانند هر چیز دیگری با این قاعده آمیخته شده اند. اما هواپیما چطور اینکار را انجام می دهد؟

راز این پدیده بی ارتباط با بال هواپیما نیست. اگر بال هواپیما (یا هر کدام از دیگر سطوح کنترل آن) را برش بزنید، متوجه می شوید که مقطع تمام آنها شکلی مشابه یک اشک خمیده است که به ایرفویل (Airfoil) معروف می باشد. اما ایرفویل چگونه این کار را انجام می دهد؟ به شکل ایرفویل دقت کنید.

لبه حمله اولین نقطه ای است که با هوا برخورد می کند و لبه فرار، آخرین نقطه. جریان هوا درست مانند فلش ها روی ایرفویل جاری می شود. می بینید که ایرفویل جریان یکنواخت هوا را که مانند چندین خطوط موازی و صاف است، با ایجاد انحناء به سمت پایین هدایت می کند؛ پس ایرفویل برای اینکار حتماً به خمیده بودن و داشتن زاویه مناسب با جریان هوا (زاویه حمله) احتیاج دارد. اختلاف فشار بین سطح بالا و پایین ایرفویل به پدید آمدن نیروی برا منجر می شود؛ بدین ترتیب که وقتی ایرفویل خمیده هوا را به سمت پایین می فرستد، جریان هوا هم طبق قوانین نیوتن در جهت مخالف، نیرو (که همان نیروی برا است) را وارد می کند و ایرفویل را که در مقیاس کامل همان بال هواپیما است، به سمت بالا هل می دهد.

نکته جالب اینجا است که هر جسمی که بتواند به هر شکل، بلایی را که ایرفویل سر جریان هوا می آورد، بر سر هر جریان سیالی بیاورد، به پرواز در می آید. راز پرواز کات دار توپ هم در همین نکته نهفته است. در این مقاله شما می توانید با اسرار شوت های کات دار بر اساس قوانین فیزیک آشنا شوید.

دوستداران فوتبال ضربه ایستگاهی ای را که روبرتو کارلوس در سال 1997 به دروازه بان فرانسه زد و گلی ناممکن را به ثمر رساند، به یاد دارند. شوت موزی شکل و حیرت انگیزی که طی آن، توپ دیوار دفاعی را دور زد و در شرایطی که تماشاگران تلویزیونی فریب تصویر مسطح نمایشگر را خوردند و فکر می کردند دیگر گل نخواهد شد، تغییر مسیر داد و با ورود به دروازه باعث شگفتی همه شد.

می گویند مگنوس کسی بود که برای اولین بار، دلیل چنین تغییر مسیری را توضیح داد؛ هر چند که به نظر می رسد قبل از او نیوتن به این قضیه اشاره کرده باشد. هرگاه پای جسمی در میان باشد که دور خود بچرخد، در هوا قرار داشته باشد و با مقاومت هوا دست و پنجه نرم کند، اثر مگنوس خودنمایی می کند. فرقی نمی کند آن جسم چرخان توپ فوتبال باشد، توپ تنیس، گلف، کریکت، گلوله توپ جنگی یا استوانه ای چرخان که نقش بادبان کشتی را ایفا می کند. بازیکنان پینگ پنگ (تنیس روی میز) و بیس بال حرفه ای برای ضربات پیچ و ضربه زنندگان توپ گلف برای حرکت Slice، بسیار از این موضوع سود می برند.

برگردیم به گل کارلوس! روبرتو یکی از چپ پاهای معروف دنیای فوتبال است و آن گل ناممکن را با ضربه ای خارج پا به سمت راست توپ به ثمر رساند. از دیدگاه شاهدان، ضربه او زنده و دارای تفکر به نظر می رسید؛ گویی توپ خود تصمیم می گرفت چه زمانی مسیرش را به سمت دروازه تغییر دهد، اما واقعیت داستان چیست؟

وقتی به سمت راست توپ ضربه می زنیم (ضربه ای خارج از مرکز توپ)، توپ خلاف جهت عقربه های ساعت شروع به چرخیدن به دور خود می کند. اگر توپ کوچکی را درون ظرف آب بچرخانید، می بینید که اطراف توپ گردابی ایجاد می شود. ضربه روبرتو هم به شکل گیری چنین گردابی در اطراف توپ منجر شد. چرخش وضعی توپ (چرخش به دور مرکز جرم) باعث می شود هوا تحت تاثیر ویژگی های سیال بودن و ناهمواری های سطح توپ، همراه با چرخش توپ کشیده شود و اطراف توپ به حرکت و تلاطم در آید. مستقل از هوای یکنواخت اطراف، لایه نازکی از هوا که به لایه مرزی معروف است، به دور توپ می چرخد. در این وضعیت وقتی جریان یکنواخت هوا به توپ می رسد، دچار تغییر مسیر می شود. چگونه؟

جهت حرکت هوای روی توپ با جهت چرخش توپ و لایه مرزی آن یکسان است، پس سرعت بیشتری می گیرد و بالعکس، هوای پایین توپ چون خلاف جهت چرخش توپ در حرکت است از سرعتش کاسته می شود. پشت توپ هم جریان آشفته ای پدید می آید. تغییر سرعت دو بخش هوا و توپ که با چرخیدن، هوا را روی پوست خود به دنبال می کشد؛ سبب می شود هوا روی توپ خم شود؛ در حالی که اگر توپ چرخش نداشته باشد ما هیچ تغییر مفیدی را حس نمی کنیم. الگوی هوا در اطراف توپ چرخان شبیه هوای اطراف ایرفویل دارای نیروی برا است. درست است که توپ کروی است و مثل ایرفویل خمیدگی ندارد، اما برای خم کردن هوا از حربه چرخش وضعی کمک می گیرد. این چرخش همان اثر خمیدگی ایرفویل را روی هوا دارد.

مترو، برنولی و مگنوس

در هر دو جسم اتفاق جذاب دیگری به نام اثر برنولی رخ می دهد که به نوعی در تولید نیرو برای ایرفویل و اثر مگنوس در توپ سهیم است. طبق این اثر، افزایش سرعت هوا (جریان سیال تراکم ناپذیر) همواره با کاهش فشار همراه است و برعکس. می پرسید چرا؟

روز شلوغی را در مترو تصور کنید؛ از آن روزهایی که مجبورید در دریای جمعیت غرق شوید و ناخواسته به هر طرف که جریان جمعیت رفت، بروید. جمعیت حکم جریان سیال را دارد. دو حالت را تجسم کنید: نخست، جمیعت فشرده و بسیار زیادی که همگی به سمت یک مقصد (احتمالاً در واگن) حرکت می کنند و این حرکت به دلیل تفاوت سرعت افراد بسیار کند است؛ دوم، همان جمعیت، این بار با حرکتی روان تر و سرعت بیشتر و هماهنگ تر بین افراد. اگر تخیل تان خوب باشد، متوجه می شوید که در حالت اول بیشتر از جانب جمعیت تحت فشار قرار می گیرد؛ در واقع به دفعات بیشتری از دیگران تنه می خورید، تنه خوردن ها معمولاً بیشتر طول می کشد و افراد سخت تر می توانند به شما فشار نیاورند. (اگر تخیل تان خوب نیست، می توانید بلیط بگیرید و راس ساعت تعطیلی ادارات و شرکت ها در شلوغ ترین ایستگاه مترو تهران حاضر باشید!)

در توپ چرخان، سرعت هوای بالای توپ بیشتر است و در نتیجه، فشار این بخش نسبت به بخش زیرین کمتر است. این اختلاف فشار باعث می شود نیرویی عمود بر مسیر جریان هوا از بخش پُر فشارتر به سمت کم فشارتر اعمال شود. این نیرو مگنوس نام دارد. چون توپ اصطکاک دارد و پای سیال هوا هم در میان است، طبیعی است که توپ با مقداری مقاومت هوا که نوعی نیروی بازدارنده است، روبرو شود. ترکیب خاصی از این نیروها می تواند توپ را در مسیری موزی شکل دور دیواره دفاعی به پرواز در آورد و دور از دست های دروازه بان به تور دروازه بچسباند.

دیگر عوامل موثر بر نیروی مگنوس

البته تنها شناختن نیروی مگنوس برای موفقیت در گل زدن با شوت کات دار کافی نیست، زیرا عوامل بسیاری روی اثر مگنوس تاثیر می گذارند و با توجه به جهت وزش باد، خشک و مرطوب بودن هوا باید قدرت ضربه را کم و زیاد کنید. در هر صورت راز کار در قدرت اولیه است، البته خود توپ هم عامل تعیین کننده ای است؛ اگر سطح توپ به اندازه مناسبی دارای زبری و ناهمواری باشد، جریان هوا بهتر روی سطح توپ می نشیند (می چسبد) و طوری به پشت توپ هدایت می شود که به جلو رفتن بهتر توپ کمک می کند. بعضی بازیکنان بیس بال، پنهانی روی توپ خراش هایی ایجاد می کنند تا این اثر را تقویت کنند.

حالا بهتر می توانید دلیل اهمیت جنس و وزن و شکل توپ فوتبال را بفهمید و درک کنید که چرا همیشه در حواشی بازی های جام جهانی، مطالبی راجع به مناسب بودن توپ مطرح می شود. البته نباید فراموش کرد که صرف نظر از درک این مفاهیم، بیش از هر چیز به تمرین، تمرین و تمرین نیاز دارید تا بتوانید چنین ضرباتی را با دقت به تور دروازه بچسبانید.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «اسرار شوت های کات دار بر اساس قوانین فیزیک»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله مریم فرحناکی در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.