Paano Mag-Deconstruct ng Football Tackle With Physics


Ilang mga bagay na tagapaghayag Thanksgiving bilang malakas na bilang turkeys, pagkaantala sa flight, at mahabang oras sa harap ng TV panonood ng football. Ito ay isang mahalagang oras sa kalendaryo ng football, na may playoffs simula sa hugis up para sa parehong mga football sa kolehiyo at ang NFL.

Ngunit ano ang tungkol sa mga epekto? Hindi naman ako nanonood ng football, ngunit wala akong paraan upang makuha ang isa sa mga hit na iyon. Kapag nakikita ko ang ilan sa mga mahabang tungkulin na ito, hindi ako makatutulong sa pag-iisip tungkol sa pisika.

May ilang mahusay na mga tool na magagamit upang maaari naming pag-aralan ang pisika ng isang football hit. Talaga, mayroon tayong lahat. ang masa ng mga indibidwal na mga manlalaro? Yup-hanapin lamang ang roster at maaari mong tingnan ang mga bagay na ito. Mga tool sa pagtatasa ng video? Muli, oo. Sa personal, talagang gusto ko ang Pagsusuri ng Video ng Tagasubaybay. Mayroong dalawang higit pang mga bagay na kailangan namin para sa isang buong pagsusuri. Kailangan ko ang rate ng frame ng video, ngunit ito ay walang halaga. Kahit na ang ilang mga epekto ay replayed sa mabagal na kilos, ang mga ito ay ipinapakita din sa real time. Paano ang tungkol sa isang sukat ng distansya? Oh maghintay! Ito ay naroroon sa larangan na may mga linya ng bakuran. Lahat tayo ay nakatakda.

Magsimula tayo sa isang banggaan. Naghanap lang ako ng "pinakamalaking hit sa football" at mabilis na nakita ang isa na gagana. Sa kasong ito, titingnan ko ang laro ng Clemson kumpara sa Syracuse mula 2017. Ang larong ito ay may malawak na receiver ng Clemson na si Trevion Thompson (205 lbs) na sinalihan ng Parris Bennett (216 lbs) mula sa Syracuse.

Gustung-gusto ko ang banggaan na ito sa dalawang dahilan. Una, ang paggalaw ay halos pataas at pababa sa patlang at hindi sa gilid sa gilid. Ito ay nangangahulugan na ang camera ay makakakuha ng isang paningin ng kilos ng paggalaw at sila ay nakahanay sa mga linya ng bakuran para sa madaling pagsukat. Pangalawa, talagang pinalalakas ni Bennett si Thompson at itinulak siya pabalik. Na mukhang cool.

Ngayon, mayroong isang maliit na problema. Ang camera ay mag-zoom in at pans. Nangangahulugan ito na ang lokasyon ng pinagmulan ay nagbabago na may paggalang sa view ng camera at ang mga pagbabago sa ratio ng pixel-to-meter. Sa kabutihang palad Tracker Video Analysis ay may isang magandang paraan upang account para sa motion camera na ito-ang mga pares ng pagkakalibrate point. Talaga, itinakda mo ang laki ng video at pagkatapos ay subaybayan ang dalawang punto sa background. Pagkatapos ay inaayos ng app ang virtual na coordinate system upang maaari mong markahan ang tunay na mga lokasyon ng dalawang manlalaro. Narito ang resultang pananaw mula sa pagbabagong iyon.

Susunod, kailangan ko lang markahan ang lokasyon ng parehong manlalaro sa bawat frame. Narito kung ano ang nakukuha ko.

Dahil ang mga ito ay mga plano sa oras ng posisyon, ang slope ng linya ay magbibigay ng bilis ng player. Narito ang nakukuha ko. Gumagamit ako ng mga yunit ng metro bawat segundo dahil hindi ako isang barbarian.

  • Paunang bilis para sa Bennett = 6.05 m / s
  • Paunang bilis para sa Thompson = -1.33 m / s
  • Final velocity para sa Bennett at Thompson = 3.03 m / s

Malaki. Ngunit ano ang maaari naming gawin sa mga halagang ito? Ang sagot ay "higit pang pisika." Magsimula tayo sa prinsipyo ng momentum. Sinasabi nito na ang kabuuang puwersa sa isang bagay (o manlalaro ng football) ay katumbas ng rate ng pagbabago ng momentum. Ngunit ano ang momentum? Ito ang produkto ng masa at bilis (na kinakatawan ng simbolo p). Sa katunayan, maaari kong isulat ang prinsipyo ng momentum sa mga tuntunin ng pagbabago sa momentum na katulad nito:

Oo, ang momentum at ang lakas ng net ay parehong mga vectors. Sa kasong ito ay nakikipag-usap kami sa isang dimensyon kaya hindi ito isang malaking pakikitungo.

Mayroong isa pang susi sa pisika ideya dito: pwersa ay isang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng dalawang bagay. Nang bumagsak si Bennett kay Thompson, hindi ito isang puwersang isang paraan lamang. Sa katunayan, tinutulak ni Thompson si Bennett na may pantay at tapat na puwersa. Ito ay hindi tungkol sa Thompson, ito ay tungkol sa likas na katangian ng pwersa. Kung pumasok si Bennett sa isang pader ng laryo, ang pader ay itulak pa rin sa parehong puwersa. Sa panahon ng pakikipag-ugnayan na ito (na kilala rin bilang isang hit) ang dalawang manlalaro ay may pantay at tapat na pwersa-ngunit mayroon din silang agwat ng oras. Hindi maaaring itulak ni Bennett si Thompson para sa ibang dami ng oras na tinutulak ni Thompson sa Bennett. Dahil mayroon silang kabaligtaran na puwersa sa parehong oras, nangangahulugan ito na mayroon silang kabaligtaran ng mga pagbabago sa momentum. O mas mabuti pa, ang kabuuang momentum bago ang banggaan ay katumbas ng kabuuang momentum pagkatapos ng banggaan. Ito ang konserbasyon ng momentum.

OK, isulat natin ito bilang isang isang-dimensional na equation sa direksyon ng paggalaw. Pupunta ako sa tawag ng direksyon na Thompson nagsisimula off gumagalaw bilang negatibong direksyon. Ito ay nangangahulugan na ang pag-iingat ng momentum ay maaaring nakasulat bilang:

Mayroon akong mga halaga para sa mga paunang at pangwakas na bilis pati na rin ang mga masa (convert sa kilo). Maaari ko bang suriin ito. Batay sa data, ang unang momentum (tandaan ang isa sa mga ito ay negatibo) ay magiging 469.5 kg ᐧ m / s at ang pangwakas na momentum ay 579.1 kg ᐧ m / s. Oo, hindi pareho ang mga ito ngunit hindi sila masyadong malayo. Narito ang mga kalkulasyon (at higit pa). Maaari mong baguhin ang mga numero at pindutin ang "play" upang muling kalkulahin para sa kasiyahan (at dapat mo). Oo, ang python ay isang kahanga-hangang calculator.

Kung gayon, bakit hindi napanatili ang momentum? Hindi ito pinananatili dahil mayroong ibang panlabas na puwersa na hindi nauugnay. Hindi, hindi ito ang gravitational force. Bagama't mayroong talagang gravitational force na nakababa, mayroon ding pataas na puwersa mula sa lupa. Ang nawawalang puwersa ay isang patagilid na puwersang pagtulak mula sa lupa (isang galaw na puwersa) dahil sa pagtulak ni Bennett habang nagbabanggaan siya sa Thompson.

Maaari ko bang matantya ang oras ng pakikipag-ugnay sa paligid ng 0.2 segundo, pagkatapos ay ang panlabas na puwersa sa system ay kailangang 548 Newtons (na 123 pounds para sa barbarians). Ngunit sandali! Ito ang puwersa sa isang sistema na binubuo ng parehong mga manlalaro. Kung titingnan natin si Bennett, dapat niyang itulak sa lupa ang isang mas malaking puwersa upang mabawi ang puwersa na tinutulak ni Thompson sa kanya. Maaari kong makita na puwersa Thompson sa pamamagitan ng pagtingin sa kanyang pagbabago sa momentum sa parehong agwat ng oras. Nagbibigay ito ng isang puwersang pang-push na 2577 Newtons. Oo, mukhang mabaliw mataas ngunit ito ay mas mababa sa tatlong beses ang kanyang timbang sa katawan. Madaling makamit ng mga tao ang mga sobrang mataas na pwersa para sa maikling panahon (tingnan ang tumatakbo bilang isang halimbawa).

Kung gusto mo ng ilang araling-bahay, narito ang isang bagay upang subukan. Maghanap ng isa pang banggaan-isa kung saan ang dalawang manlalaro ay nasa lupa sa panahon ng banggaan. Kung ang parehong mga tao ay wala sa lupa pagkatapos ay walang magiging lakas ng pasulong. Dapat na konserbado ang momentum. Tingnan kung gumagana ang mga numero. Magiging masaya ito.


Higit pang mga Great WIRED Stories