低速與高速下足球碰撞的生物力學(xué)分析

□ 任敦登（山東現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院基礎(chǔ)部 山東 濟(jì)南 250104）

1 、前言

足球碰撞是足球比賽的一種常見現(xiàn)象，其特點(diǎn)是持續(xù)時間極其短暫。足球在碰撞階段有些什么特征，碰撞過程會發(fā)生什么變化？為此，通過生物力學(xué)的方法來研究足球的碰撞過程，找出一些有意義有價值的數(shù)據(jù)，從而能夠為足球訓(xùn)練和產(chǎn)品開發(fā)提供一定的理論指導(dǎo)。

2 、研究方法

2.1 、文獻(xiàn)資料法

在山東現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院圖書館以及中國期刊網(wǎng)，清華同方等電子資源數(shù)據(jù)庫，查閱和整理大量相關(guān)資料，深入了解足球的研究現(xiàn)狀和相關(guān)理論。

2.2 、實驗法

2.2.1 、平面定機(jī)攝像測量法

進(jìn)口JVC9800高速攝像機(jī)一臺，采用平面定機(jī)攝像測量方法，對足球每一次飛行的速度過程進(jìn)行現(xiàn)場拍攝。

2.2.2 、三維測力臺測試法

使用瑞士生產(chǎn)的KISTLER三維測力臺，以及KISTLER、BIOWARE數(shù)據(jù)收集和分析系統(tǒng)，記錄足球碰撞過程的力量、時間數(shù)據(jù)。

2.2.3 、運(yùn)動圖像解析法

采用國產(chǎn)愛捷運(yùn)動圖像分析系統(tǒng)EIMG71對足球運(yùn)動過程進(jìn)行圖像解析，對速度指標(biāo)采用弱平滑,選取截止頻率為32Hz。

2.2.4 、數(shù)理統(tǒng)計法

采用SPSS13.0對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

3 、測試結(jié)果與分析

3.1 、將所測的力學(xué)數(shù)據(jù)用統(tǒng)計學(xué)的方法整理和處理后，得到了足球碰撞前后的各項指標(biāo)（碰撞次數(shù)低速和高速各為14次）。

3.2 、足球低速碰臺時各項指標(biāo)的平均值分別是：入射速度為8.73ms，出射速度為7.31ms,碰臺時間為0.0083s，最大力量2267N，平均力量792N，最大沖量6.58ms彈性恢復(fù)系數(shù)0.8378±0.0189；高速碰臺時各項指標(biāo)的平均值分別是：入射速度為19.50ms，出射速度為14.33ms,碰臺時間為0.0077s，最大力量4295N，平均力量1779N，最大沖量13.74ms彈性恢復(fù)系數(shù)0.7355±0.0307。

3.3 、通過相關(guān)性比較發(fā)現(xiàn)，除碰撞時間外，最大力量、平均力量、最大沖量與入射速度呈正相關(guān)，其中平均力量和最大沖量與入射速度完全正相關(guān)，而最大力量相關(guān)性較低，碰撞時間與入射速度呈完全負(fù)相關(guān)。從結(jié)果可以看出，碰撞時足球與測力臺接觸時間和最大打擊力與入射速度相關(guān)性小；而沖量和平均力量與入射速度的相關(guān)性分別為0.9372和0.8515,兩者都是正相關(guān)而且相關(guān)性很大，其中沖量與入射速度呈高度相關(guān)。

3.4 、從兩種速度碰撞過程可以看出，當(dāng)足球由低速變?yōu)楦咚贂r，其最大力量、平均力量和最大沖量都有了顯著性增加，其中最大力量平均值由2267.3N增加到了4295.3N，高速時幾乎是低速的兩倍。平均力量平均增加了987N，高速時產(chǎn)生的平均力量值是低速時的兩倍還多?？梢钥闯?，當(dāng)速度增大后，碰撞產(chǎn)生的力量也會增加很多。

3.5 、低速運(yùn)動時，球的彈性恢復(fù)系數(shù)為0.838，高速時為0.736，低速與高速相比，彈性恢復(fù)系數(shù)減小了0.102，經(jīng)T檢驗，兩者存在顯著性差異，這與相子元對網(wǎng)球的研究結(jié)果和Joseph對長曲棍球的研究結(jié)果十分相似，都是球的入射速度由低速變?yōu)楦咚俸?，它們的彈性恢?fù)系數(shù)變小。

4 、結(jié)論

沖量和平均力量兩者與入射速度都是正相關(guān)且相關(guān)性大，其中沖量與入射速度呈高度相關(guān)。

低速時反彈速度與入射速度之間差距小，高速時反彈速度與入射速度差距大，低速的反彈速度和入射速度有很高的相關(guān)性，而高速時兩者的相關(guān)性很小。表明高速時有更多的能量轉(zhuǎn)移。

低速碰臺過程的時間為0.00832s,高速時的碰臺時間為0.00775s，高速碰臺時間比低速時減少了0.00057s，兩者存在顯著性差異。

足球碰撞到達(dá)最大力量所需要的時間，低速時平均為0.00421±0.000639s，高速時平均為0.00317±0.000551s.高速到達(dá)最大力量所需時間更短，兩者之間存在顯著性差異。

足球的彈性恢復(fù)系數(shù)與球本身的彈性有直接的關(guān)系。足球低速碰臺的彈性恢復(fù)系數(shù)為0.838，高速時為0.736，高速時比低速時減少了0.102,兩者存在顯著性差異。表明隨足球速度的增大，其彈性恢復(fù)系數(shù)卻減小了。

[1]劉延柱,楊海興,朱本華.理論力學(xué)[M].北京:高等教育出版社2001,355-374.

[2]《運(yùn)動生物力學(xué)》編寫組.運(yùn)動生物力學(xué)[M].北京:高等教育出版社.2000.

[3]單信海.足球彈性恢復(fù)系數(shù)的試驗測定[J].浙江體育科技,2006(28).

[4]張妙玲,王軍平.弧線球碰臺過程的力學(xué)分析[J].北京體育大學(xué)學(xué)報.2000,23(2):197-198.