7 мин.

Заслужил ли Рональду Нобелевскую премию по физике?

1 k

Однажды в перерыве матча между командами «Арсенал» и «Манчестер Юнайтед» в рамках Лиги Чемпионов Йенс Леманн пытался убедить телезрителей в том, что вина за пропущенный гол лежит не на вратаре «Арсенала» Алмуньи, а на «неправильном мяче». Тогда, если помните, Альмунья каким-то непонятным образом пропустил дальний штрафной удар Криштиану Рональду. Видите ли, по словам Леманна новый футбольный мяч ускоряется вместо того чтобы затухать по истечении определенного времени. Но это же противоречит законам физики. Или на самом деле Леманн прав и новые мячи имеют особенность менять скорость на лету?

 

Ученые Оксфордского Университета заинтересовались этим вопросом. Вот что думает Тони Уэйдберг из Колледжа Сейнт Джонс: «Если мяч не крутится, то естественно он бы не смог набрать скорость (консервация энергии). Однако, если пнуть мяч определенным образом, то можно заставить мяч вращаться – то есть придать «спин» - (прекрасным примером является прямые штрафные удары Бекхэма, Домингеса или Алекса, которые отклоняются от прямой траектории из-за спина). Если удастся придать мячу вращение в прямо переднюю сторону (в сторону ворот), то вполне возможно преобразовать энергию вращения в поступательную кинетическую энергию. Только не представляю, насколько легко достичь этого с футбольным мячом на поле. А так, засняв это упражнение на камеру, можно кадр за кадром посмотреть и просчитать насколько права теория ускорения мяча на лету».

 

Профессор Иан Уолмсли, заведующий кафедрой Атомной и Лазерной Физики Оксфордского Университета говорит: «Я в принципе согласен с мнением Тони, основанное на теории консервации энергии. Однако я не вижу того физического механизма, который связывал бы угловой и линейный моментумы футбольного мяча в открытом пространстве. Для этого в частности требуется вязкая густая атмосферная среда; конечно, этого никак не сделать на стадионе команды «Арсенал».

 

Доктор Алан Барр, преподаватель предмета «Физика частиц» : «Некрутящийся мяч не может набирать скорость (за исключением случая, когда мячу сопутствует сильный попутный ветер). Вращающийся мяч легко отклоняется от прямой линии (удары а-ля Бекхэм). В принципе, можно добавить мячу дополнительную скорость на лету - только путем преобразования крутящейся энергии от вращения в линейную скорость – но при особых условиях, например, когда теннисный мяч, летящий с топ-спин, ударяется о землю. Почти невозможно представить как такое может случиться с футбольным мячом, летящим в воздухе. Просто необходимо весомое доказательство – ну, как Тони выше сказал, по-кадровый анализ может сказать нам может ли мяч пролететь больше расстояния на последних секундах.

 

Робин Маршалл, профессор физики в Университете Манчестера, который уже давно занимается вопросами физики футбольного мяча и штрафных ударов: «Стоит отметить, что первая догадка происходит от футболиста. Это напоминает мне предположения футболистов и футбольных журналистов о том, что какой-то центр-форвард «Х» может, вопреки закона гравитации, повиснуть на время в воздухе, в то время как другие смертные моментально падают на землю. Правильным ответом на такие предположения является то, что этот «Х» выпрыгнул выше и/или время прыжка был своевременным. Паникующие защитники выпрыгивают слишком рано, следовательно, первым возвращаются на землю. С таким успехом можно сказать, что моя кошка тоже может парить в воздухе когда подпрыгивает.

 

«Рональду бьет по мячу очень сильно и без вращения, так что мяч летит в режиме турбулентного потока на протяжении большей дистанции своей траектории, чем мяч с закруткой или после несильного удара. Это означает, что Рональдовский мяч не теряет скорости, потому что он летит выше Числа Рейнольдса на большей части своей траектории. Может быть, то что Леманн неосознанно заметил лежит на его многолетнем опыте и является следствием его привыкания к футбольным мячам, которые теряли свою скорость в определенное время своего полета. Если спросить его сейчас про характеристику типично-летящего мяча он вполне ответит так: не слишком быстро тормозящийся в начале своего полета, но потом - резко затухающий в скорости по мере приближения к вратарю. Таким образом Леманн создал для себя профессиональную «характеристику скорости» хорошо исполненного штрафного удара. Поэтому ему сейчас кажется, что мяч, не теряющий скорости по ранее «установленной им формуле», набирает скорость вопреки его «характеристики скорости».

 

«Аргумент с вращением никак не подходит для объяснения этого удара, потому что (и это наглядно показывает замедленные съемки) Криштиану Рональду практически не придает мячу вращения, и это является его особенным «трюком».

 

Многие разделяют мнение профессора Маршалла. А Мартин Бурк считает, что «если у современных мячей меньше трения – значит и меньше они будут терять свою скорость, и таким образом вратарю кажется что мяч по ходу набирает скорость». Но такое мнение как-то не сходится с тем, что «современные мячи намного легче по весу и у них меньше кинетической энергии, чтобы противодействовать лобовому сопротивлению – так что они быстрее теряют скорость».

 

Доктор Жоао Фонсека из Университета Манчестера тоже сходится во мнениях с коллегами: «Трюк в ударе Рональду заключается в том, что тут нет никакого вращения. Вращение стабилизирует мяч (по аналогии с гироскопом или крутящимся мячом американского футбола) и удар по мячу без придачи вращения приводит к тому, что мяч на лету становится нестабильным, чувствительным к разным вариациям давления, и по всей видимости, глохнет из-за турбулентного потока позади мяча. Когда мяч теряет скорость или подвергается нестабильности, мяч «ныряет» или отклоняется от курса, особенно если мяч по весу очень легок».

 

«Ради справедливости в пользу Леманна можно отметить то, что ныряющий мяч ускоряется (набирает скорость) по направлению к земле, а отклоняющийся от курса мяч ускоряется влево или вправо, даже когда мяч теряет скорость по направлению к воротам. И я бы тут заметил, что именно эти ускорения как раз таки представляют трудности для голкиперов, а не ускорения по направлению к вратарю».

 

Доктор Матью Хардинг думает иначе: «Леманн сравнивал новые мячи со старыми. То что он описывал, заключается в простом изменении природы торможения новых мячей по сравнению со старыми. Если старые мячи теряли скорость быстрее по ходу лета в воздухе, то привыкшему к такому поведению мяча человеку кажется, что новые мячи как будто ускоряются на лету».

 

А Ричард Дафф представил совсем другую теорию: «А не забывают ли Оксфордские профессора два важных нюанса? Во-первых, в первых секундах полета мяч летит в слегка деформированном виде (из-за удара ногой по нему), и когда мяч вновь приобретает свою сферическую форму то он выпускает кинетическую энергию, которая может ускорить мяч. Во-вторых, мяч не имеет идеальной сферической формы из-за наличия в нем золотника. Часто можно увидеть, как Рональду вертит мяч перед тем как зафиксирует его на земле до удара – может таким образом он специально подставляет золотник под свою ногу. В этом случае не придает ли такой удар мячу свободное перемещение по воздуху на большей скорости?»

 

Эту теорию поддержали некоторые профессора: так Доктор Мартин Гадсдон пишет: «Прикосновение ноги к мячу является «эластическим столкновением», что приводит нас к рассмотрению «центра тяжести мяча». Говоря обычным языком, центром тяжести объекта является точка, на которую как бы концентрируется вся масса объекта. При эластичным столкновении с ногой футболиста, мяч естественно деформируется и следовательно его центр тяжести перемещается. А когда мяч возвращается в свою изначальную форму, его центр тяжести также возвращается на свое изначальное место».

 

«Поэтому, в то время как Оксфордские профессора правы в том, что мяч не может ускоряться, они на самом деле имеют ввиду что центр тяжести мяча не ускоряется. И когда пнули мяч, центр тяжести (из-за деформации мяча) перемещается вперед (ближе к передку мяча), так что когда мяч возвращается в свою нормальную сферическую форму центр тяжести перемещается назад (другими словами - передок мяча перемещается вперед относительно центра тяжести). На переднюю часть мяча фокусируются глаза голкипера. И эта часть мяча действительно будет казаться ускоряющейся в сторону вратаря – чисто из-за деформации мяча, хотя центр тяжести не будет набирать скорость.

 

«Футбольные мячи постоянно усовершенствуются: вес уменьшается и они становятся легко деформирующимся, но одновременно крайне быстрыми в восстановлении изначальной формы (в контраст пляжным мячам). Хотя это представляет собой слишком маленький эффект, но это происходит в течение минимального отрезка времени с момента прохождения «стенки» и таким образом голкиперу трудно предсказать как поведет мяч себя ближе к нему».

 

А теперь посмотрите на интересную оптическую иллюзию, которая стала победителем «5-й ежегодной выставки визуальных иллюзий года», которая наглядно демонстрирует почему иногда кажется что мяч ведет себя странно.

Инструкция:

  1. Смотрите внимательно на крутящийся мяч, который падает вертикально.

  2. А теперь посмотрите на синюю недвижимую точку на правой верхней части экрана. Теперь кажется что крутящийся мяч падает примерно с 20-градусным отклонением.

  3. Переведите резко свой взгляд теперь на двигающийся мяч. Будет такое ощущение, что мяч как будто резко поменяел направление. Таким образом резкое перемещение взгляда аналогично «изменению» крученного мяча.

  4. Так, ради интереса, вы можете менять цифры для изменения параметра эффекта.

 

Моим глазам, по крайней мере, кажется что мяч как будто набирает скорость по мере падения вниз. Объяснением является перемещение прямого видения на периферийное видение, которое, не знаю, можно ли применить по отношению к объяснению ситуации с вратарем, который следит за мячом. Но если вы вратарь и стараетесь одновременно следить как за мячом, так и за расположением и движением игроков в штрафной площади, тогда вполне ясно что такой эффект может иметь место на поле.