الفيزياء الساحرة في كرة القدم

كتابة : لمياء أحمد بن إبراهيم.

إن كنت من عشاق كرة القدم وأردت أن تحسن من أدائك، وتحب أن تلفت الأنظار إليك عن طريق مهارةٍ تتقنها كتسديد الكرات الثابتة، فكل ما عليك فعله هو أن تصغي إلى الفيزياء! نعم الفيزياء، فخلال بحثي في يومٍ ما وجدت مصادفةً موضوعاً بعنوان “هدف روبرتو كارلوس الذي حير العلماء”. فكيف لهدفٍ أن يحير علماء الفيزياء؟ ألم يجدوا لسلوكه ومساره تفسيراً؟! بالطبع لا، هذا الهدف لم يحير علماء الفيزياء أبداً. وإنما احتار فيه وعجز عن تفسيره من عنونه بذلك الاسم المضلل وقام بنسب الحيرة إلى العلماء، ومن هنا تجدر الإشارة إلى أنه يجب التحري دائما عند نقل الأخبار.

لنعد إلى الهدف الذي قيل بأنه حير العلماء، وهو هدف روبرتو كارلوس الذي قام بتسديده في صيف 1997مـ ضد فريق الخصم الفرنسي. حيث وضع اللاعب الكرة على بعد 30 متراً عن مرمى الخصم وباتجاه اليمين قليلاً، فقام اللاعب الشهير بركل الكرة باتجاه يمين جدار المدافعين أمامه. ولكنها ما لبثت أن غيرت مسارها وانعطفت باتجاه اليسار ثم لتدخل المرمى في زاويته العلوية اليمنى.

ذُهل الجميع مما رأوه في ذلك الوقت، ولكن روبرتو كارلوس عرف بالتأكيد أن كرته ستلتف بتلك الطريقة. وفي نفس الوقت، عرف علماء الفيزياء ذلك أيضاً. حيث أن ذلك الالتفاف نتج عما يٌعرف فيزيائياً بتأثير ماغنس، نسبةً إلى العالم غوستاف ماغنس الذي شرح هذه الظاهرة في عام 1852مـ.

لنقم بشرح تأثير ماغنس: لنفترض أن لدينا كرةً منطلقةً في الهواء ستدور حول نفسها في نفس الوقت، وبالتالي سيؤثر عليها كلاً من القوى الجانبية المسؤولة عن تأثير ماغنس، والقوى المعاكسة لاتجاه مسار الكرة (مقاومة الهواء لحركة الكرة)، ويمكننا تلخيص ذلك في نقاط:

تدور الكرة على محورٍ يكونٍ عمودياَ على مستوى جريان الهواء، وفي نفس الوقت سيتحرك الهواء بسرعةٍ أكبر في جهة الكرة التي يكون فيها سطحها يتحرك بنفس اتجاه تيار الهواء مما يتسبب في انخفاضٍ في الضغط، والذي بدوره سيدفع سطح الكرة للحركة في الاتجاه المعاكس (باتجاه الضغط الأقل) نحو منطقة اتجاه دوران الكرة بحسب مبدأ برنولي.

بعبارةٍ أخرى مبسطةٍ، تأثير ماغنس ما هو إلا شرحٌ للانحراف الجانبي الذي يحدث للأجسام التي تلف حول نفسها، فإذا قمت بلف الكرة (أدرتها حول نفسها) ورميتها من مكانٍ مرتفعٍ فستقوم هذه الكرة بدفع الهواء في اتجاه الخلف، ومن ثم سيلتف الهواء على سطحها في الاتجاه المعاكس وسيقوم بدفعها للأمام. أما إذا قمت برمي الكرة من نفس المكان ومن غير لفٍ فسيكون الهواء متوازناً على جانبيها وبالتالي ستسقط مباشرةً إلى الارض ولن تندفع إلى الامام.

 الركلة بالأرقام:

– كانت الركلة من على بعد 30 متراً من المرمى.

– تتحرك الكرة بسرعة 25-30 متراً في الثانية.

– تدور الكرة حول نفسها 8-10 دوراتٍ حول نفسها في ثانية.

– تصبح قوة ماغنوس 3.5 نيوتن.

– يصبح تسارع الكرة 8 أمتارٍ في كل ثانيةٍ مربعةٍ (تم حسابه عن طريق معرفة كتلة الكرة التي تصل إلى 350 غرام.

– ستنحرف الكرة عن مسارها الأصلي بمقدار 4 أمتارٍ لتصيب الهدف.

 

العوامل المؤثرة:

  • قوة مقاومة الهواء:

تتعلق بكثافة ومساحة سطح الكرة ومربع سرعتها، فإذا افترضنا أن الكثافة ومساحة سطح الكرة ثابتتان فإن قوة المقاومة ستتعلق بمربع السرعة وبمعامل المقاومة. فعندما يكون تيار الهواء هادئاً سيكون معامل المقاومة عالياً، أما أذا كان التيار قوياً فإن الطبقات الهوائية تنفصل بوقتٍ متأخرٍ. أيّ أنها تلتصق بالكرة لفترةٍ ثم تتركها لتحيط بها.

  • شكل سطح الكرة:

إذا كان سطح الكرة يحتوي على انخفاضاتٍ وارتفاعاتٍ (أيّ أنه ليس أملساً) فإن رقم رينولد سيكون أقل مما إذا كان سطح الكرة املساً. فعندما تكون حركة الكرة بطيئةً فستكون قوة المقاومة العكسية مرتفعةً، ولكن إذا ضربت الكرة بسرعةٍ كبيرةٍ فإن سرعتها لن تتباطأ بسبب قوة المقاومة.

  • عدد دورات الكرة:

عدد دورات الكرة حول نفسها يزيد من معامل الرفع، وبالتالي سيزيد أثر ماغنس. ولكن زيادة سرعة الكرة عند عدد دوراتٍ ثابتٍ حول نفسها سيخفض من معامل الرفع. وهذا يعني أن الحركة البطيئة للكرة مع عدد دوراتٍ (لفات) كبيرٍ سيزيد من القوة الجانبية للكرة أكثر من الكرة المتحركة بسرعة بنفس عدد الدورات حول نفسها.

أخيراً، لا يقتصر أثر ماغنس على كرة القدم ورياضاتٍ مثل الغولف، التنس، أو البيسبول. بل يمكن أن يستخدم في المراكب الشراعية التي تعمل بطريقة الاسطوانات الدوارة. ويحاول العلماء والمهندسون الاستفادة من تأثير ماغنس لصنع مركباتٍ أعلى كفاءةً وأقلّ استهلاكاً للوقود. أما انت فعليك التمرن جيداً لتقوم بتسديد ركلةٍ تاريخيةٍ كما حدث مع روبرتو. فلا تدري، ربما يقوم خصمك بقراءة المقال الأن.

 

أثر ماغنس (Magnus effect)
مقاومة الهواء (air resistance)
رقم رينولد (Reynolds no)

المصادر:

http://www.sciencealert.com/watch-the-physics-behind-this-crazy-basketball-trick?perpetual=yes&limitstart=1

http://physicsworld.com/cws/article/print/1998/jun/01/the-physics-of-football

 

Comments are closed.