低速與高速下足球碰撞的生物力學分析

□ 任敦登（山東現代職業學院基礎部 山東 濟南 250104）

1 、前言

足球碰撞是足球比賽的一種常見現象，其特點是持續時間極其短暫。足球在碰撞階段有些什么特征，碰撞過程會發生什么變化？為此，通過生物力學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據，從而能夠為足球訓練和產品開發提供一定的理論指導。

2 、研究方法

2.1 、文獻資料法

在山東現代職業學院圖書館以及中國期刊網，清華同方等電子資源數據庫，查閱和整理大量相關資料，深入了解足球的研究現狀和相關理論。

2.2 、實驗法

2.2.1 、平面定機攝像測量法

進口JVC9800高速攝像機一臺，采用平面定機攝像測量方法，對足球每一次飛行的速度過程進行現場拍攝。

2.2.2 、三維測力臺測試法

使用瑞士生產的KISTLER三維測力臺，以及KISTLER、BIOWARE數據收集和分析系統，記錄足球碰撞過程的力量、時間數據。

2.2.3 、運動圖像解析法

采用國產愛捷運動圖像分析系統EIMG71對足球運動過程進行圖像解析，對速度指標采用弱平滑,選取截止頻率為32Hz。

2.2.4 、數理統計法

采用SPSS13.0對采集到的數據進行進一步的處理。

3 、測試結果與分析

3.1 、將所測的力學數據用統計學的方法整理和處理后，得到了足球碰撞前后的各項指標（碰撞次數低速和高速各為14次）。

3.2 、足球低速碰臺時各項指標的平均值分別是：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彈性恢復系數0.8378±0.0189；高速碰臺時各項指標的平均值分別是：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彈性恢復系數0.7355±0.0307。

3.3 、通過相關性比較發現，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，其中平均力量和最大沖量與入射速度完全正相關，而最大力量相關性較低，碰撞時間與入射速度呈完全負相關。從結果可以看出，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性小；而沖量和平均力量與入射速度的相關性分別為0.9372和0.8515,兩者都是正相關而且相關性很大，其中沖量與入射速度呈高度相關。

3.4 、從兩種速度碰撞過程可以看出，當足球由低速變為高速時，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，高速時產生的平均力量值是低速時的兩倍還多。可以看出，當速度增大后，碰撞產生的力量也會增加很多。

3.5 、低速運動時，球的彈性恢復系數為0.838，高速時為0.736，低速與高速相比，彈性恢復系數減小了0.102，經T檢驗，兩者存在顯著性差異，這與相子元對網球的研究結果和Joseph對長曲棍球的研究結果十分相似，都是球的入射速度由低速變為高速后，它們的彈性恢復系數變小。

4 、結論

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

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性，而高速時兩者的相關性很小。表明高速時有更多的能量轉移。

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。

足球的彈性恢復系數與球本身的彈性有直接的關系。足球低速碰臺的彈性恢復系數為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，其彈性恢復系數卻減小了。

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