بیومکانیک فوتبال

توپ فوتبال

توپ فوتبال بر اساس وزن، قطر، فشار درونی و جنس سطح دسته بندی می شود. یک توپ با اندازه کامل و استاندارد باید وزنی بین 396 تا 453 گرم، محیطی بین 5/68 تا 1/71 سانتی متر و فشار داخلی بین 6/0 الی 1/1 اتمسفر داشته باشد. لایه بیرونی یا جلد توپ باید از چرم یا موادی تأیید شده ای باشد که خطری برای بازیکن نداشته باشد. توپ می تواند به دو صورت ساخته شود یکی با دوختن صفحات مجزا به یکدیگر و دیگری قالب گیری با لاستیک و پوشاندن آن با صفحات رنگ آمیزی شده از پلاستیک.
وزن توپ را قوانین بازی تعیین می کند اما تغییرات کوچکی در وزن توپ به علت جذب آب از طریق درزها یا مواد سازنده روی می دهد. هر دوی توپ های دوختنی و قالب گیری شده وقتی به مدت طولانی در معرض آب و رطوبت قرار میگیرند وزنشان افزایش می یابد. توپ های قالب گیری شده به میزان 3/1 درصد و توپ های دوختنی به میزان 5/8 درصد افزایش وزن دارند. افزایش وزن باعث افزایش نیروی ضربه (Impact Force) به اندازه 8/2 درصد در توپ های قالب گیری شده و 5/8 درصد در توپ های دوختنی می شود. تصور می شود افزایش در جرم توپ با افزایش در میزان نیرو ارتباط مستقیم داشته باشد (Armstrong et al. 1988).
مقایسه بین توپ دوختنی و قالب گیری شده که از ارتفاع 18 متری رها شده بودند نشان داد که متوسط نیروی ضربه توپ قالب گیری شده 851 نیوتن و توپ دوختنی 912 نیوتن است و نیز زمان صعود (زمان بالا رفتن به صورت عمودی) نزد توپ قالب گیری شده 27 درصد کمتر از توپ دوختنی است (Lewendusky et al. 1988).
عملکرد توپ بر اساس نحوه پرواز آن در هوا، جهش، سرخودن و چرخیدن آن روی زمین توصیف می شود. بر اساس قوانین مکانیک رفتار توپ بیشتر بر اساس سرعت اولیه آن در لحظه پرواز مشخص می شود و نیز نیروهای ایرودینامیک کشش و فشار سبب تغییر مسیر توپ خصوصا زمانی که چرخش داشته باشد می شوند. چرخش بر شکل پرواز توپ بطرز چشم گیری تأثیر می گذارد، بنابراین اگر استفاده از ویژگی های چرخشی توپ بخشی از راهبرد بازی باشد محققان علاقه مند هستند تا تأثیر ساختار توپ بر جنبه های مختلف عملکرد را به صورت علمی بررسی نمایند. مقالات متعددی در زمینه ویژگی های پروازی توپ فوتبال هنگامی که چرخش دارد منتشر شده است. اگر زوایه رهایی، سرعت رهایی و چرخش توپ ثابت باشد توپ پرتاب شده از زمانی که بدون چرخش باشد پایداری بیشتری دارد ((Luhtanen et al. 1993. زمانی که توپ از ارتفاع 18 متری رها می شود و به هدف صفحه نیرو اصابت می کند، میزان موفقیت در اصابت به هدف بیشتر از 7 درصد نیست (Lewendusky et al.1988). این پدیده توسط نیروی ایرودینامیک مگنوس (Magnus Force) بر توپی که به آرامی هنگام سقوط چرخش دارد توضیح داده می شود. اما توپی که روی سطح جهش می کند، سرخورده و می چرخد توقف و ایستادن آن بیشتر به ویژگی های سطح بستگی دارد تا به توپ. این پدیده توسط ویژگی اصطکاک بین توپ و سطح هنگام سرخوردن و چرخیدن تعیین میشود.
سطوح بازی فوتبال
عملکرد طبیعی زمین چمن فوتبال به ویژگی های ساختاری، شرایط آب و هوایی و واکنش آن به فرسایش بستگی دارد. تلاش شده که کیفیت سطوح بازی و مزیت سطوح طبیعی و مصنوعی کمی شوند. شرایط بازی بوسیله برهم کنش بین توپ و سطح بازی، برهم کنش بین بازیکن و سطح و حرکت بازیکن تعیین می شود. چند آزمون برای آزمایش و کمی نمودن این شرایط طراحی شده و بعضی از آنها استاندارد نیز شده اند. برهم کنش توپ ـ سطح بوسیله آزمون جهشی ارتجاعی، مسافت غلتیدن و تغییرات سرعت ارزیابی می شود. حرکت بازیکن بوسیله آزمون ویژگی های اصطکاکی بین کفش میخی (Studded boot) و سطح ارزیابی می شود. این آزمون به دو صورت انجام می شود، آزمون کشش پیچشی که صفحه میخدار بارگذاری شده روی سطح چرخانده می شود و دیگری آزمون کشش لغزشی که مسافت پیموده شده توسط کفشی میخی بارگذاری شده روی سطح زمین چمن سنجش می گردد (Canaway & Bell 1986, Baker 19986). برهم کنش سطح ـ بازیکن با اندازه گیری اوج کاهش شتاب گویی که روی سطح سقوط کرده باشد و با اندازه گیری نیروی واکنش سطح طی شبیه سازی عمل دویدن مدل ثابت انجام میشود (Kolitzus 1984).
متخصصان به این مطلب رسیده اند که کیفیت بازی در زمین های چمن طبیعی به میزان زیادی بر اساس کیفیت ساختار، نگهداری، میزان فرسایش، موقعیت استقرار و وضعیت جوی تغییر می نماید. بطور کلی سطوح مصنوعی از ثبات بیشتری برخورداراند و کمتر تحت تأثیر شرایط آب و هوایی قرار می گیرند. دریافته اند که زمین های چمن مصنوعی در ویژگی های جهش ارتجاعی، کشش پیچشی، مسافت غلتیدن و کاهش نیرو به هم نزدیک هستند، همچنین سطوح مصنوعی در ضربات پرتوان سبب مسافت غلتیدن و اوج کاهش شتاب بیشتری می شوند. این نتایج بعدا سبب ممنوعیت بازی روی زمین های مصنوعی در بازی های رسمی شد. این یافته ها از سوی FIFA وUEFA تأیید شده و در حال حاضر تمامی رقابت های بین المللی روی چمن طبیعی برگزار می شود.
تلاش هایی برای کمی سازی بعضی ویژگی های خاص سطوح مصنوعی انجام گرفته است. سن سطوح بر رفتار و عملکرد آن تأثیر می گذارد. گزارش شده ویژگی جذب ضربه در سطوح مصنوعی با سن 5 سال نسبت به سطوح تازه و نو بطور مشخصی کاهش یافته است و ضریب اصطکاک لغزشی متأثر از فرسودگی سطوح است. همچنین ضریب اصطکاک لغزشی متفاوتی بین سطوح خیس و خشک گزارش شده، بطوریکه در سطوح خیس این ضریب کمتر است. جهت پرزهای چمن مصنوعی روی ویژگی های اصطکاکی تأثیر می گذارد (Bowers & Martin 1975). ثابت شده ضریب اصطکاک به میزان طبیعی نیروی اعمال شده مرتبط است، چنانچه نیروی طبیعی افزایش یابد ضریب اصطکاک کاهش می یابد. در شرایط واقعی بارگذاری نیرو، ضریب اصطکاک بین 8/0 در سطوح لاستیکی پلی پروپیلن تا 15/1 روی سطوح با پرز نایلونی تغییر می کند. نیروی اصطکاک وقتی حرکت توپ در جهت خلاف پرزها باشد به میزان 8 درصد افزایش می یابد. همچنین تفاوتی معناداری در ضریب کشش پیچشی سطوح طبیعی و مصنوعی در شرایط زمین خیس و خشک گزارش نشده است. نیز مشخص شده اصطکاک پیچشی سطوح مصنوعی با پرزهای دراز، نرم و ضربه گیر بیشتر است در حالیکه سطوح مصنوعی ماسه ای اصطکاک پیچشی کمتر دارند. میزان اصطکاک پیچشی روی سطوح مصنوعی نسبت به سطوح چمن طبیعی کمی بیشتر است.
در آزمون های مختلف دویدن بازیکن روی سطوح مصنوعی اطلاعات مربوط به ضریب اصطکاک لغزشی و گشتاور اصطکاک چرخشی در حرکات مختلف اندازه گیری شده است (Valiant 1987). بازیکنان، کفش هوای آزاد فوتبال را پوشیده و روی سطوح مصنوعی آزمون دادند. حداکثر ضریب اصطکاک لغزشی 8/0 طی هرمرحله توقف حرکت محاسبه شد. گشتاور اصطکاک چرخشی ایجاد شده هنگام چرخش 17 نیوتن متر(Nm) بود. هنگامی که آزمون کشیدن وسیله برای محاسبه میزان حداکثر اصطکاک بین کفش و سطح اجرا شد، ضریب اصطکاک 6/1 و گشتاور اصطکاک 30-48 نیوتن متر بود. نتایج این آزمون نشان میدهد اصطکاک کفش ـ سطح نیروی اصطکاک و گشتاور بیشتری نسبت به حرکات معمول فوتبال ایجاد می کند.
کفش فوتبال
کفش معمول فوتبال کنونی از چرم ساخته شده و تا زیر مچ پا را پوشش میدهد و میخ هایی از جنس سخت به تخت کفش متصل می شود. میزان باریکی میخ های کفش فوتبال به انعطاف پذیری مورد نیاز و میزان سختی میخ ها به میزان سفتی سطوح بستگی دارد. میخ ها ممکن است با تخت کفش بصورت یکپارچه قالب گیری شوند و یا قابل تعویض باشند، همچنین الگوی قرارگیری آنها نیز تنوع زیادی دارد.کفش های فوتبال بر خلاف کفش های مخصوص دویدن دارای پاشنه سفت و محکم هستند. بعضی از کفش های فوتبال برای افزایش جذب ضربات در قسمت میانی تخت، پاشنه بلندتری دارند. بیشتر کفش ها یک کفی برای جذب رطوبت و کمک به راحتی و اندازه شدن کفش دارند.

گرچه تولید کنندگان کفش شیوه مشخص و سیستماتیک برای طراحی کفش دارند اما کارهای علمی کمی در این زمینه گزارش شده است. یک استثناء در این زمینه کاری پژوهشی با رویکرد ارگونومیک برای تعیین معیارهایی در طراحی برای تولیدکنندگان کفش فوتبال است(Rolano et al. 1988). بخشی از این کار پژوهش های آزمایشگاهی روی پا و اندام تحتانی برای تعیین ریخت بهنجار بود. دیگری شامل تحلیل نیروهای واکنش زمین در برابر پا بود. بخش سوم کار شامل تحلیل کینماتیک مهارت های ضمن بازی نظیر لگدزدن به توپ، دریبل کردن و تکل کردن بود. اطلاعات بدست آمده از این تحقیقات به درک بهتر عملکرد کفش های فوتبال کمک می کند و برای طراحی بهتر کفش های فوتبال پیشنهادهای ویژه ای ارائه می دهد.
مشخص شده کفش های فوتبال عمل ارگونومی دارند. کفش های فوتبال هنگام پوشیدن باید راحت بوده و مانع حرکت بازیکن نشوند. کفش باید:
الف. در جهت برآورده سازی نیازهای بازی عمل نماید.
ب. از پا حمایت و حفاظت نماید.
ج. به پا برای عملکرد مناسب کمک نماید.
برای ارزیابی اینکه کفش فوتبال نیازهای تمرین و مسابقه را مرتفع می سازد پژوهش هایی صورت گرفته است. مشخص است حرکات متنوع و زیادی هنگام بازی فوتبال انجام می شود، میزان اجرای این حرکات هنگام تمرین و مسابقه ثبت شده است. این حرکات در آزمایشگاه، جایی که نیروی عکس العمل زمین قابل بررسی است، تکرار شد. نیروهایی که توسط بازیکنان در هر حرکت وارد می شد برای بررسی مشکلات پیش روی ثبت می گردید. نتایج نشان داد که میزان پاره شدن کفش بین بازیکنان حرفه ای 27 درصد و بین بازیکنان مبتدی 15 درصد می باشد. بیشتر پارگی ها در قسمت جلو و کنار کفش ها روی میداد که بخوبی بر محل اصلی وارد آمدن فشار ناشی از حرکات دلالت می کند. با جمع نیروهای وارد بر کفش هنگام بازی و تمرین مشخص شد میزان فشار و استرس وارد بر کفش طی 90 دقیقه تمرین بیشتر از یک بازی است. این نتایج می تواند در تولید کفش های مناسب برای هر فعالیت (مسابقه یا تمرین) راهنما باشد.
هنگام دویدن معمولی نیروی عکس العمل زمین در یک گام حدود 5/2 برابر وزن فرد است (Cavanagh 1990). کفشی که برای فوتبال ساخته می شود، باید با استفاده از موادی در ساخت کفش تأثیر این نیروها را به حداقل برساند. اما اغلب نمی توانند. میزان نیروهای استرس زا برای ورزشکار با نحوه فروآمدن و میزان سرعت می تواند افزایش یابد و در مقابل سطوح سخت این نیروها بیشتر نیز می شوند. اینها بوسیله شتاب سنجی که در انتهای ساق پا نصب شده باشد برا ی اندازگیری اوج کاهش شتاب قابل اندازه گیری است. این ویژگی ها هنگام دویدن با سرعت 5/3 متر بر ثانیه با کفش فوتبال و کفش دو و میدانی بررسی شده است (Lee & Jones 1994). نتایج نشان داد میزان کاهش اوج شتاب ساق پا هنگام دویدن وقتی از کفش فوتبال استفاده شده m/s² 5/26 و وقتی از کفش دو ومیدان روی زمین چمن استفاده شده m/s² 3/23 بوده است. دویدن روی زمین چمن اوج کاهش شتاب را به میزان معناداری کاهش می دهد اما استفاده از کفش های فوتبال که از پا کمتر حفاظت می نمایند اوج کاهش شتاب ساق پا را 10 درصد افزایش میدهد. محققان معتقدند که استفاده از کفش های دارای ساختار نرم در بخش میانی تخت از شدت ضربات می کاهد.
میخ های تخت کفش نقش مهمی در جابجایی و حرکت بر روی سطوح مختلف دارند. میخ ها از شکل ساده و سخت اولیه به گوی های چرمی، به شاخک های نوین و میخ هایی با اندازهای مختلف ارتقاء یافته اند. میزان چسبندگی بین کفش و سطح به میزان نفوذ میخ ها در سطح و سختی چمن بستگی دارد. وقتی چمن خیس است استفاده از میخ های کوتاه منجر به سر خوردن بازیکن می شود. از طرف دیگر زمین چمن سفت میزان نفوذ میخ ها را کاهش داده و منجر به افزایش فشار روی پاشنه و قسمت جلویی کفش می شود. میخ هایی با اندازه های مختلف به بازیکن برای مقابله با این شرایط کمک می نماید. میزان چسبندگی سطح از اجزای کیفی و مهم بازی است که به ویژگی های سطح مرتبط بوده، اما آرایش میخ ها نیز بر آن تأثیرگذار است. نشان داده شده که مقاومت در برابر سرخوردن کمتر تحت تأثیر نوع آرایش میخ ها قرار می گیرد، بلکه ضریب اصطکاک لغزشی بیشتر با نوع میخ ها مرتبط است. بیشترین تفاوت در استفاده از انواع مختلف میخ در ضریب اصطکاک پیچشی مشاهده شد (Winterbottom 1985).
کفش ها باید نیروی وارده به را پا توزیع کرده بطوریکه بر نقطه ای خاص نظیر پاشنه یا حتی پنجه پا متمرکز نشود. با توجه به این مطلب موقعیت و نیز نحوه قرار گیری میخ برای تأمین این هدف بسیار حیاتی هستند. مشخص شده میخ های با پیچ عمیق نسبت به میخ ها با پیچ باریک باعث افزایش دمای پای کمتر، راحتی بیشتر و کاهش احتمال تاول در پا می شود. پای بازیکن همیشه درمعرض ضربه وبرخورد با پای سایر بازیکنان است، ازاینرو مواد بکار رفته در آن باید از پا در مقابل این ضربات و آسیب ها حفاظت به عمل آورد. بنابراین استفاده از پدها چرمی لازم است. همه این ملاحظات در طراحی کفش در نظر گرفته می شود اما مطالعه علمی اندکی روی آن انجام شده است.
طرحان کفش فوتبال نیاز به فراهم سازی انعطاف پذیری کافی برای پا را تأیید می نمایند. این هدف با ایجاد شیاری در ناحیه پنجه پا امکان پذیر است. این شیار در عین حالی که باعث می شود مفصل درناحیه پنجه پا خم شود، سختی مناسب در قسمت روی پا برای وارد آوردن نیروی کافی هنگام ضربه زدن فراهم می آورد. این سختی در کفش های ارائه شده وجود دارد اما با ایجاد شیار در قسمت روی کفش و ناحیه پنجه میزان خم شدن انگشتان را افزایش ولی میزان سختی کاهش می یابد. به نظر می رسد جمع کردن این دو ویژگی در کفش (انعطاف پذیری در کف و رویه) امکان پذیر نباشد. تنها راه این است که مکانیسمی فراهم شود که در یک جهت خم شدن صورت گیرد و در جهت دیگر کفش سفت و سخت باشد. چنین مکانیسمی در کفش ها تجاری سازی شده است.
ساق بند
ساق بند توسط بازیکنان فوتبال برای محافظت از ساق و مچ پا در برابر ضربات مستقیم پای حریف استفاده می شود. کارکرد اصلی ساق بند محافظت از پوست، بافت های نرم زیرین و استخوان ساق پا در برابر ضربات خارجی است. این وسیله با جذب ضربات، توزیع نیرو و تغییر ماهیت انرژی جذب شده بوسیله سیستم ساق پا مانع از وارد آمدن آسیب می شود. استفاده از ساق بند در فوتبال رسمی اجباری است. کارآمدی ساق بند در کاهش شدت آسیب های وارده به ساق به تازگی مورد ارزیابی قرار گرفته است. در عین حال هیچ استانداری برای ساخت قاب سخت بیرونی و لایه نرم داخلی وجود ندارد. موادی که برای ساخت قاب سخت بیرونی استفاده می شود معمولا از مواد ترموپلاستیک (Thermoplastic) است که با توجه به انحنای ساق پا قالب گیری می شود و لایه نرم جذب کننده ضربه از اتیلن وینیل استات یا دیگر مواد اسفنجی ساخته می شود. بعضی از محققان سعی در کمی سازی عملکرد ساق بند ها کرده اند (Lees & Cooper 1995). در آزمونی قابلیت جذب ضربات توسط 5 نوع مختلف ساق بند رایج در بازار در برابر ضربات مستقیم مورد بررسی قرار گرفت. روش آزمون بستن ساق بند به پایی چوبی و قرار دادن آن روی سطحی سخت بود که از ارتفاع 40 سانتی متری وزنه ای 5 کیلو گرمی روی آن رها گردید و میزان کاهش ضربه محاسبه گردید. با این روش زمان تأخیر و انرژی بازگشتی نیز اندازه گیری شد.

نتایج نشان داد که استفاده از ساق بند در کاهش شتاب ضربات 40 ـ 60 درصد درمقایسه با وضعیت بدون استفاده از آن مؤثر است (Nigg & Yeadon 1987). آنها نشان دادند این اثرات به خاطر افزایش زمان تأخیر وارد آمدن ضربه به میزان 30ـ40 درصد است. غلاف سختی بیرونی ساق بند مانند لایه ای الاستیکی عمل می کند که در توزیع نیرو مؤثر است. بنابراین ساق بند ضمن کاهش نیروی وارده و افزایش سطح وارد آمدن ضربه فشار نقطه ای و به تبع آن احتمال جذب و نفوذ کفش و یا میخ های آن به ساق پا را کاهش خواهد داد. گرچه ساق بند به میزان 70 درصد نیروی ضربات را جذب می کند اما مواد آن نمی توانند جلوی ضربات بسیار شدید که منجر به شکستگی می شود را بگیرند. نتایج نشان می دهد که ساق بند با قاب بیرونی از جنس ترموپلاستیک و 5 میلی متر لایه نرم داخلی از جنس اتیلن وینیل استات بهتر از انواع دیگر می باشند.
منبع:
Evarzesh پایگاه تخصصی مشاوره و اطلاعات ورزشی: بیومکانیک ورزشی