Свойства мяча и особенности траектории его полета

Правильное взаимодействие игрока с мячом в значительной мере зависит от знания аэродинамических, механических и других его свойств и качеств.

Траектории полета мяча могут быть прямолинейными или криволинейными в зависимости от способа удара. При ударах по центру мяч, как правило, получает прямолинейное поступательное движение, а при ударе по боковой поверхности - криволинейное. Таким образом, начальный полет мяча после удара позволяет волейболисту определить его дальнейшую траекторию и правильно выбрать место на площадке.

Движение мяча можно условно разделить на три фазы: встречный полет, действие силы на мяч и продолжение полета.

Сила, действующая на мяч, непостоянна. Увеличиваясь от нуля до максимальных величин, она вновь снижается и падает до нуля перед тем, как траектория полета мяча идет по нисходящей.

Во время ударов по мячу меняется не только величина, но и направление силы. Это связано с тем, что анатомическое строение суставов игрока не позволяет, как правило, придавать мячу абсолютно прямолинейное движение.

Рис. 3. Траектория полета мяча

Траектория полета не-вращающегося мяча. В результате действия силы через центр тяжести мяча он получает прямолинейное движение, при котором все точки его поверхности двигаются параллельно с одинаковой скоростью. На траекторию полета мяча действуют различные факторы. Так, дальность его полета обусловлена величиной действующей силы и весом самого мяча, а также углом вылета (f), образуемым между горизонтом и вектором силы (Р). При этом сила делится на вертикальный (Р_у) и горизонтальный (Р_х), компоненты (рис. 3).

Чем больше угол (f), тем больше компонент (Р_у), и чем меньше этот угол, тем меньше (Р_х).

Под влиянием земного притяжения траектория полета мяча принимает форму параболы. При этом дальность полета мяча рассчитывается по формуле:

W = V² * sin(2f) / 2g ,

где W- дальность полета мяча; V² - ускорение; 2g - сила земного притяжения; f - угол вылета мяча.

В связи с тем, что в волейболе все удары по мячу производятся на некоторой высоте над уровнем площадки, необходимо ввести значение h (высота). В этом случае расчеты производятся по формуле:

W = V² * cos(f)/2g * (sin(f) + (sin²(f))^1/2 * 2 hV / V²)

Рис. 4. Форма траектории полета мяча и сопротивления воздуха

Летящему мячу в значительной степени препятствует воздушная среда. Это сопротивление преобразует параболическую форму траектории полета мяча в кривую (рис. 4,а), у которой нисходящий отрезок короче, чем восходящий (рис. 4,б). Чем больше скорость полета мяча, тем значительнее сопротивление воздуха, так как оно увеличивается пропорционально квадрату этой скорости.

Если горизонтальная скорость полета мяча приблизится к нулю, то его движение переходит в свободное падение.

Большое значение для такой траектории полета мяча при подаче сверху имеет оптимальная сила удара. В данном случае мяч теряет свою скорость не столько из-за сопротивления воздуха, сколько из-за прилагаемой силы, рассчитанной лишь на перелет его через сетку и свободное падение в непосредственной близости от нее.

Таким образом, многие факторы (сила, вес мяча, угол вылета, земное притяжение, сопротивление воздуха и т, п.) оказывают воздействие на траекторию полета мяча и усложняют его прием. Возникающая в связи с этим значительная вариативность траекторий полета мяча вынуждает волейболиста в процессе игры приспосабливаться к постоянно меняющимся условиям.

Важное значение в игре имеет отскок мяча, принимаемого с подачи или от нападающего удара. На отскок невращающегося мяча от ровной поверхности распространяется элементарный закон - угол падения равен углу отражения. В связи с этим угол отскока мяча, особенно при небольшой скорости полета, довольно легко рассчитать.

Неточность отскока, как правило, связана с неровностью принимающей поверхности рук (отсутствие супинации), со сгибанием рук в локтевых суставах и реже с неправильным выбором угла расположения предплечий.

При большой скорости полета мяча недостаточно подставить неподвижную поверхность предплечий, необходимо еще и ослабить его отскок. Иными словами, сила удара летящего мяча должна быть амортизирована, чтобы он отскочил не слишком высоко.

При малой скорости полета мяча также недостаточно неподвижно подставить руки под мяч. Необходимо придать его полету новую траекторию, для чего следует выполнить встречное движение к падающему мячу.

Рис. 5. Действие силы удара на мяч

Эксцентрическое действие силы удара на мяч. В том случае, когда -действие силы приложено не к центру тяжести мяча, а эксцентрично, он начинает вращаться. При этом на мяч, кроме силы Р, действуют еще две вспомогательные силы Р1и Рг, которые возникают в центре тяжести мяча и противодействуют друг другу. Эти силы имеют такую же, как и сила Р, величину, и линии их падения параллельны ей (рис. 5). При этом Р и Рг объединяются одной составляющей силой в момент Р1, который и вызывает вращение. Напротив, сила Pi способствует прямолинейному движению мяча, протекающему в направлении силы Р. Сила вращения зависит от величины действующей силы Р и величины плеча I момента вращения. В связи с этим путь каждой отдельной точки мяча имеет форму циклоиды.

Вращение может возникнуть вокруг самых разнообразных осей. Вид вращения определяется местом поверхности мяча, по которому произведен удар. Если сила возникает в направлении центра тяжести или выше его, то мяч не только движется вперед, но и вращается вокруг горизонтальной оси.

Рис. 6. Вращение мяча при подачах и нападающих ударах

Вращение мяча в волейболе применяют при подачах и нападающих ударах. Например, при подачах сверху может придаваться три различных вращения - справа налево, слева направо и сверху вниз (рис. 6). Аналогичные вращения могут придаваться мячу и при выполнении нападающих ударов. В первом случае мяч, вращаясь, движется вперед и смещается влево (рис. 6, а), во втором - траектория его полета отклоняется вправо (рис. 6, 6) ив третьем - мяч, вращаясь вокруг горизонтальной оси, смещается по нисходящей траектории (рис. 6, в).

Чтобы понять, какие закономерности лежат в основе изменения траектории полета мяча при различных вращениях, нужно обратиться к так называемому эффекту Магнуса.

Рис. 7. Закономерности изменения траектории полета мяча при различных вращениях

Итак, если мяч летит в воздухе не вращаясь, то сопротивление среды на его внешних плоскостях С и Д будет одинаковым (рис. 7). При движении мяча в направлении А-В ему оказывает сопротивление воздушная среда. Если же мяч имеет вращение влево, то на его поверхности в точке С создается избыточное давление. На противоположной же стороне, в точке Д, образуется разреженная воздушная среда. Оба компонента давления имеют общую составляющую и действуют в направлении Д-Е.

В связи с этим при вращении мяча влево он отклоняется влево, при вращении вправо - вправо, при вращении вперед - вниз и при вращении назад - вверх.

Рис. 8. Отскок вращающегося мяча

Отскок вращающегося мяча. Если вращающийся мяч падает вертикально на горизонтальную плоскость, то происходит их плоскостное соприкосновение (рис. 8). В течение этого времени вращение действует таким образом, что мяч, катясь, меняет свое положение на расстоянии от В до А. Горизонтальный компонент Р возникает как результат скорости вращения, которая постепенно снижается благодаря противоположному ей моменту вращения. Оба компонента Р_х и Р_у составляют равнодействующую Р, показывающую, что вращающийся мяч, падая вертикально, отскакивает от поверхности под углом в сторону. Отсюда следует, что вращение мяча меняет угол отражения - он смещается в сторону вращения. При этом угол отражения тем больше, чем больше вращение.

В волейболе при выполнении подач применяются три вида вращения мяча: правое, левое и верхнее. При правом вращении мяч отклоняется влево, он отскакивает от принимающей поверхности предплечий вправо; при левом вращении он отклоняется вправо и отскакивает от принимающей поверхности предплечий влево; при верхнем вращении отклоняется незначительно.

Выравнивание отскока мяча при подачах и нападающих ударах, выполняемых с вращением, осуществляется за счет компенсаторного поворота принимающей части предплечий в сторону отскока.

Однако в волейболе удары, как правило, выполняют по центру мяча, но вращение при этом полностью не исключается. Здесь имеет место плотный контакт ладонной части кисти с мячом.

Имеются особенности траектории полета мяча при так называемой планирующей подаче. Как известно, такие подачи осуществляются прямым или боковым ударом. Общим для них являются толчкообразное ударное движение в центр мяча, обязательное фиксирование кисти в лучезапястном суставе и отсутствие сопровождения мяча. При этих условиях мяч, не вращаясь и летя со сравнительно незначительной скоростью (10-12 м/с), не получает надежного динамического равновесия, поэтому постоянно изменяет траекторию полета.

При точно рассчитанной силе удара нисходящая ветвь траектории таких подач может приходиться на переднюю или заднюю линию.