كيف تفسر الفيزياء أسباب نجاح ركلة روبرتو كارلوس التاريخية

يذكر العديد من متابعي كرة القدم الركلة الحرة الأسطورية التي قام بها اللاعب البرازيلي Roberto Carlos روبرتو كارلوس ليحرز هدفاً على خصمه الفرنسي في صيف 1997، إذ وُضِعت الكرة على بعد 30 متراً عن مرمى الخصم قليلاً إلى اليمين. ركل كارلوس الكرة باتجاه اليمين ليبعدها عن جدار المدافعين القابع أمامه ولكن على نحوٍ سحري انعطفت الكرة نحو اليسار ودخلت في الزاوية العلوية اليُمنى للمرمى، فكانت مفاجأة غير متوقعة أذهلت اللاعبين وحارس المرمى وتركتهم في حَيْرة من أمرهم. لا بدَّ أنك تسأل نفسك، هل تلك الركلة كانت محض صدفة؟ الأمر لم يكن صدفة، فاللاعب روبيرتو كان يعلم أنَّ كرته سوف تلتف بتلك الطريقة، إذ أنَّه ركل كرته باتجاه مضبوطٍ وسرعة ملائمة حتى استطاعت أن تدخل مرمى خصمه، ذلك الالتفاف يُعرف في الفيزياء باسم أثر ماغنس "Magnus Effect".

إنَّ أول شرح للانحراف الجانبي للأجسام الملتفة ( تدور حول نفسها)، قُدِّمَ من قبل الفيزيائي الألماني غوستاف ماغنس "Gustav Magnus"، في عام 1852، الذي كان يعمل على تفسير الأمر في القذائف والرصاص، الأمر نفسه يمكننا تطبيقه على الكرة سواءً كانت كرة القدم، أو البيسبول، أو الغولف، أو التنس.

لنفرض أنَّ لدينا كرة، تلك الكرة تدور وفق محور يكون عمودياً على مستوي جريان الهواء. في الواقع الهواء يتحرك على نحوٍ أسرع بالنسبة لمركز الكرة في الطرف الذي يكون فيه سطح الكرة يتحرك باتجاه تيار الهواء؛ وهذا ما يسبب انخفاضاً في الضغط، حسب مبدأ برنولي هنا . أمَّا الطرف الآخر فيكون سطح الكرة يتحرك بالاتجاه المعاكس، وبالتالي فإنَّ الأثر يكون معاكساً؛ أي إن ضغط الهواء لا يتساوى على طرفي الكرة، فتتجه الكرة نحو الضغط الأقل، أي نحو منطقة اتجاه دوران الكرة.

يمكننا أن نقسم القوى المؤثرة على كرة تتحرك في الهواء إلى نوعين: قوى جانبية وهي المسؤولة عن أثر ماغنس، وقوى معاكسة لاتجاه مسار الكرة، وهي قوى مقاومة جزيئات الهواء لحركة الكرة عبرها.

- لنفترض أن الكرة تتحرك بسرعة 25-30 متراً في الثانية الواحدة، وأنها تدور 8-10 دورات حول نفسها في كل ثانية، وهذا يجعل قوة الرفع 3.5 نيوتن تقريباً، وبمعرفة أن كتلة الكرة تصل إلى 450 غراماً، يمكننا عندها حساب تسارع الكرة، والذي تبيَّن أنه مساوٍ إلى 8 أمتار في كل ثانية مربعة. الركلة كانت على بُعد 30 متراً من المرمى، وبسبب قوة الرفع (ماغنس) المطبقة على الكرة من الركلة، فإن الكرة سوف تنحرف إلى ما يقارب 4 أمتار عن مسارها الأصلي لتدخل المرمى.

- قوة المقاومة تتعلق بكثافة سطح الكرة ومساحتها ومربع سرعتها فإذا افترضنا أن كثافة سطح الكرة الخارجي ومساحتها ثابتتان، فإن قوى المقاومة تتعلق بمربع السرعة وأيضاً تتعلق بما يُعرف باسم معامل المقاومة، وتنقص قيمة معامل المقاومة بتحول التدفق من كونه لطيفاً وهادئاً الى مضطرب ويمكن تحديد طبيعة التدفق بعدد يُدعى عدد رينولد؛ فعند قيمة معينة لهذا العدد يختلف من شكل جسم لآخر ويتحول التدفق من هادئ إلى مضطرب وعندها ينخفض معامل المقاومة أي تنقص قوة مقاومة الهواء.

• عندما يكون التيار الهوائي هادئاً يكون معامل المقاومة عالياً، وهذا ما يسبب "انفصال" طبقات الهواء بوقت مبكر، أي إن الهواء ينفصل عن بعضه ليحيط الكرة قبل وصول الكرة، أمَّا إذا كان التيار قوياً أو عاصفاً، فإن الطبقات الهوائية تنفصل بوقت متأخر؛ بمعنى أنها تلتصق لفترة في الكرة ثم تتركها لتحيط بها.

• يتعلق رقم رينولد بشكل سطح الكرة، فسطح الكرة المخصصة لرياضة الغولف ليس أملس؛ فهو يحتوي على انخفاضات وارتفاعات به، لذا فإن رقم رينولد سوف يكون تقريباً عشرين ألفاً، في حين أن سطح كرة القدم أملس ولا يحوي على "تجاعيد"، وبالتالي فإن رقم رينولد سوف يكون أكبر، أي ما يقارب أربعمئة ألف.

ممَّا سبق نستنتج أنه عندما تكون حركة الكرة بطيئة فإنها ستتعرض لقوة عكسيَّة (مقاومة) مرتفعة. لكن إذا ضُربت الكرة بسرعة كبيرة فإنَّ المشكلة ستتضاعف بالنسبة لحارس المرمى؛ ليس فقط بسبب السرعة المرتفعة للكرة وإنما أيضاً الكرة المتحركة بسرعة عالية لن تتباطأ سرعتها بسبب قوة المقاومة كما هو متوقع.

-عام 1976 أجرى بيتر بيرمان وزملاؤه من كلية امبريال، لندن عدة تجارب على كرات الغولف، فوجدوا أنَّ زيادة عدد دورات الكرة حول نفسها سيزيد من معامل الرفع، وبالتالي زيادة أثر ماغنيس. لكن زيادة سرعة الكرة عند عدد دورات ثابت حول نفسها سيخفض من معامل الرفع؛ وهذا يعني أن الحركة البطيئة للكرة مع عدد دورات كبير سيزيد من القوة الجانبية أكثر من الكرة المتحركة بسرعة بنفس عدد الدورات حول نفسها.

لنشرح ركلة روبرتو على ضوء ما تحدثنا به في السابق: ركل كارولوس الكرة بالجهة الخارجية لقدمه اليسرى ليجعلها تدور حول نفسها بعكس دوران عقارب الساعة بالنسبة له. كان الجو جافاً، لذا فعدد دورات الكرة حول نفسها سيكون مرتفعاً، ربما عشر دورات في الثانية الواحدة. ركله للكرة من جهة قدمه الخارجية سمح له بضربها بقوة، بسرعة 30 متراً في الثانية. تدفُّق الهواء عن سطح الكرة كان مضطرباً، وهذا خفَّضَ من قوة المقاومة. في مكان ما من مسارها (ربما بعد 10 أمتار أو عند موضع جدار المدافعين)، انخفضت سرعة الكرة، وبالتالي ستتباطأ أكثر فأكثر، ما سيفسح المجال لقوة ماغنس الجانبية، التي سبَّبَت انحناء مسار الكرة نحو المرمى. على فرضِ أنَّ كمية دورات الكرة حول نفسها لم تتغير (سرعة دورانها حول نفسها ثابتة) فسيزداد عامل المقاومة، وبالتالي ستزداد القوة الجانبية أكثر وسيزداد الانحناء. أخيراً كلما تباطأت الكرة، ازداد الانحناء على نحوٍ كبير (بسبب زيادة معامل الرفع) حتى تضرب الكرة شباك المرمى.

بحسب الدراسات، فإن ركل الكرة في مركز كتلتها بمشط قدمك سوف يجعلها تنطلق بخط مستقيم، أمَّا إذا صنعت بقدمك زاوية 90 درجة، وقمت بركل الكرة بمنطقة مغايرة لمركز كتلتها، فسوف تكون قد أعطيت الكرة عزم لفٍّ، ويؤدي بدوره إلى دوران الكرة حول نفسها في الهواء. دوران الكرة حول نفسها يعتمد على عدة عوامل، أحد هذه العوامل هو عامل الاحتكاك بين قدم اللاعب والكرة، فكلما ازداد الاحتكاك ازدادت معه السرعة وعزم اللف، وذلك يحصل عندما تركل الكرة بكامل قدمك، أي إذا قامت قدمك باحتلال مساحة أكبر من الكرة وعلى فترة أطول، أيضاً ركلُ الكرة بالقرب من مركز كتلتها لن يجعلها تدور حول نفسها، ولعلَّ ما بدرَ إلى رأسكم في هذه اللحظة أن ركل الكرة على أحد أطرافها سوف يجعلها تلتف حول نفسها بشكل كبير، ولكن هذا ليس صحيحاً (لأنَّ حينها ستلمس القدم الكرة في مساحة أقل وبزمن أقصر) فمن أجل أن تجعل الكرة تلتف بشكل أعظمي حول نفسها، عليك ركلها في المكان المثالي، ليس قريباً جداً من مركز كتلتها ولا بعيداً جداً عنه.

إذا ماذا تعلمنا من ركلة روبرتو كارلوس؟ إذا ضربت الكرة بقوة كافية بحيث تجعل تدفق الهواء فوق السطح مضطرباً، وبذلك تبقى قوة مقاومة الهواء صغيرة والكرة ستحلق. إذا أردت جعل الكرة تنحني أعطها الكثير من السبين (اجعلها تلف كثيراً حول نفسها) عن طريق ضربها بعيداً عن مركزها. هذا الأمر يصبح أسهل في يوم جاف. سينحني مسار الكرة عندما تتباطأ لتدخل الكرة مجال التدفق الهادئ، لذا عليك التمرن لتتأكد من أن التحول الى التدفق الهادئ سيحدث في المكان المناسب (على سبيل المثال، تماماً بعد عبورها جدار المدافعين). في حال كان الجو رطباً، بإمكانك أيضاً جعل الكرة تدور حول نفسها ولكن من الأفضل تجفيف الكرة وحذائك.

المصدر: هنا  

فيديو ركلة روبيرتو كارلوس

هنا