Trong thể thao, gần như mọi pha bóng đều là một bài toán động lượng: cú sút truyền động lượng từ chân sang bóng, pha bắt bóng hấp thụ động lượng của bóng vào tay. Muốn sút mạnh, cần chân nặng chạy nhanh và tiếp xúc chắc; muốn bắt bóng nhẹ tay, cần kéo dài thời gian hãm bóng. Hiểu xung lượng và động lượng giúp giải thích vì sao vận động viên "vung theo" sau cú đánh, vì sao thủ môn thu tay về khi bắt bóng và vì sao va chạm giữa hai cầu thủ lại có hậu quả khác nhau.
Cú sút: chân truyền động lượng cho bóng
Quả bóng đá tiêu chuẩn nặng 410–450 g theo luật của Hội đồng Luật bóng đá quốc tế (IFAB). Cầu thủ chuyên nghiệp có thể sút bóng đi với tốc độ trên 100 km/h. Trong khoảnh khắc chạm bóng chỉ chừng một phần trăm giây, bàn chân và cẳng chân đang lao tới truyền một phần động lượng sang quả bóng.
Điều quyết định tốc độ bóng:
- Tốc độ bàn chân ngay trước lúc chạm. Đây là yếu tố quan trọng nhất; các cầu thủ có cú sút mạnh thường có tốc độ vung chân rất cao.
- "Khối lượng hiệu dụng" của chân: không phải cả cơ thể va vào bóng, mà chủ yếu là bàn chân và cẳng chân. Cổ chân khoá cứng giúp bàn chân hoạt động như một khối chắc, khối lượng hiệu dụng lớn hơn. Cổ chân lỏng thì bàn chân "đập" vào bóng như cục mềm, mất lực.
- Độ đàn hồi: bóng bơm đúng áp suất nảy khỏi chân tốt hơn, bóng non hơi "ì" và mất năng lượng.
- Điểm chạm: chạm đúng tâm bóng thì bóng đi thẳng, lệch tâm thì bóng xoáy (và đi cong do hiệu ứng Magnus).
Theo tính toán va chạm đơn giản, nếu khối lượng hiệu dụng của chân lớn hơn bóng nhiều lần, bóng có thể bay đi với tốc độ gần gấp đôi tốc độ bàn chân. Vì vậy một cú vung chân 70 km/h có thể cho quả bóng đi hơn 100 km/h.
Vung theo (follow-through): kéo dài thời gian tác dụng
Huấn luyện viên ở mọi môn đánh bóng đều dạy "vung theo" sau khi chạm bóng: chân tiếp tục đi theo hướng sút, vợt tiếp tục quét qua sau cú đánh, tay ném tiếp tục duỗi ra sau khi bóng rời tay. Có hai lý do vật lý:
- Giữ tốc độ tối đa tại điểm chạm. Nếu người chơi định "dừng" ngay sau khi chạm, cơ thể sẽ bắt đầu hãm từ trước điểm chạm, làm giảm tốc độ đúng lúc quan trọng nhất.
- Kéo dài thời gian tiếp xúc một chút. Xung lượng truyền cho bóng bằng lực nhân thời gian; tiếp xúc lâu hơn một ít giúp truyền nhiều động lượng hơn và điều khiển hướng tốt hơn.
Vung theo cũng giúp giảm chấn thương: cơ bắp hãm chân, tay từ từ sau cú đánh thay vì phanh gấp.
Bắt bóng: hấp thụ động lượng
Khi bắt bóng, người chơi phải triệt tiêu toàn bộ động lượng của bóng. Theo F·Δt = Δp, kéo dài thời gian hãm thì lực vào tay giảm.
- Thủ môn bóng đá bắt bóng thường thu tay về phía ngực, gập khuỷu, có khi ngã người theo hướng bóng để kéo dài quãng đường hãm. Găng tay có lớp mút dày cũng góp phần.
- Bắt bóng chày, bóng gậy (cricket): người bắt kéo tay lùi theo bóng. Găng bóng chày có lớp đệm dày; trong cricket, người bắt ở sân không đeo găng nên kỹ thuật "tay mềm" càng quan trọng.
- Đỡ bóng bằng ngực, bằng đùi trong bóng đá: cầu thủ hơi lùi người hoặc hạ chân khi bóng chạm, gọi là "đỡ bước một", để bóng dừng ngay dưới chân thay vì nảy ra xa.
- Đệm bóng trong bóng chuyền: hai cẳng tay đặt chắc nhưng chân và người hơi chùn xuống để kiểm soát lực, không để bóng bật ra quá mạnh.
Ngược lại, khi muốn bóng bật ra mạnh — như đập bóng, phá bóng — người chơi giữ phần cơ thể chạm bóng thật chắc, thời gian tiếp xúc ngắn và lực lớn.
Va chạm giữa hai người chơi
Trong bóng đá, bóng bầu dục, khúc côn cầu, hai người chơi va vào nhau tuân theo cùng các định luật: lực tác dụng lên hai người bằng nhau (định luật III), tổng động lượng bảo toàn trong khoảnh khắc va chạm. Người nhẹ hơn hoặc chạy chậm hơn sẽ bị đẩy lùi nhiều hơn, vì gia tốc của họ lớn hơn.
Đó là lý do trong các môn có va chạm, người chơi được dạy hạ thấp trọng tâm, đứng vững, và trong một số môn như bóng bầu dục, phải học kỹ thuật va chạm an toàn để tránh chấn thương đầu, cổ. Luật nhiều môn đã thay đổi trong những năm gần đây để hạn chế va chạm đầu, khi y học ngày càng hiểu rõ hơn về chấn động não do va chạm lặp lại.
Bảng so sánh động lượng một số quả bóng
| Bóng | Khối lượng gần đúng | Tốc độ ví dụ | Động lượng gần đúng |
|---|---|---|---|
| Bóng bàn | 2,7 g | 30 m/s (108 km/h) | 0,08 kg·m/s |
| Bóng tennis | 57 g | 50 m/s (180 km/h) | 2,9 kg·m/s |
| Bóng đá | 430 g | 30 m/s (108 km/h) | 12,9 kg·m/s |
| Bóng rổ | 600 g | 10 m/s (36 km/h) | 6 kg·m/s |
| Bi bowling | 7 kg | 8 m/s (29 km/h) | 56 kg·m/s |
Các tốc độ là ví dụ minh hoạ trong phạm vi thường gặp, không phải kỷ lục. Bảng giải thích vì sao bị bóng bàn bay 100 km/h trúng người không đau bao nhiêu, còn bóng đá cùng tốc độ thì rất đau: động lượng chênh nhau hơn 150 lần.
Góc nhìn hôm nay: luyện tập theo vật lý
- Sút bóng: tập khoá cổ chân, chạm bóng bằng mu bàn chân cứng, vung theo về hướng mục tiêu.
- Bắt bóng: tập "tay mềm" với bóng bay chứa nước — thứ phạt tức thì cho bàn tay cứng.
- Trẻ em chơi bóng: dùng bóng nhẹ, đúng cỡ theo lứa tuổi để giảm động lượng khi bị bóng trúng người, và bảo vệ khớp còn non.
- Bơm bóng đúng áp suất ghi trên van bóng: bóng quá căng nảy mạnh và cứng, bóng non hơi khó kiểm soát.
Ai muốn đọc sâu hơn về vật lý thể thao có thể tìm sách The Physics of Baseball của Robert Adair hoặc các bài nghiên cứu về vật lý bóng đá đăng trên các tạp chí cơ sinh học thể thao.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao khi bắt bóng phải thu tay lại?
Thu tay kéo dài thời gian hãm bóng. Theo nguyên lý xung lượng, cùng một lượng động lượng cần triệt tiêu, thời gian hãm dài hơn thì lực tác dụng lên tay nhỏ hơn, bóng không bật ra và tay không đau.
Vì sao phải vung theo sau khi sút bóng hay đánh bóng?
Vung theo giúp giữ tốc độ chân hoặc vợt lớn nhất đúng tại điểm chạm, kéo dài thời gian tiếp xúc một chút để truyền nhiều động lượng hơn và điều khiển hướng tốt hơn, đồng thời giảm nguy cơ chấn thương do phanh gấp.
Bóng đá nặng bao nhiêu?
Theo luật của IFAB, quả bóng đá tiêu chuẩn cỡ số 5 nặng từ 410 đến 450 gam khi bắt đầu trận đấu. Bóng cho trẻ em thường nhỏ và nhẹ hơn.
Làm sao để sút bóng mạnh hơn?
Tăng tốc độ vung chân, khoá cổ chân để bàn chân thành khối chắc, chạm đúng tâm bóng và vung theo về hướng mục tiêu. Bóng bơm đúng áp suất cũng nảy khỏi chân tốt hơn.
Vì sao bóng bàn bay nhanh mà trúng người ít đau?
Vì bóng bàn chỉ nặng khoảng 2,7 gam nên động lượng rất nhỏ dù tốc độ cao. Bóng đá cùng tốc độ có động lượng lớn hơn hơn trăm lần nên khi trúng người đau hơn nhiều.