Podstawowa terminologia z dziedziny biomechaniki i fizyki

Tenis jest sportem z kategorii siłowo-szybkościowo-precyzyjnych. Zatem kluczowymi dla niego pojęciami fizycznymi są: ruch, siła, prędkość. Oczywiście samą grę analizować można z różnych punktów widzenia, głównie mówimy o ruchu: piłki, rakiety czy samego zawodnika, rozpatrując je w różnych aspektach i układach odniesienia, stawiając sobie różne cele.

Ruch najogólniej podzielić możemy na postępowy – opisywany pojęciami prędkości, drogi, przyspieszenia, … – i obrotowy – opisywany wielkościami kątowymi (kąt, prędkość kątowa, przyspieszenie kątowe). Najczęściej, stosując różnego rodzaju uproszczenia rozważamy ruch punktu materialnego, ale w przypadkach rzeczywistych należy raczej mówić o ruchu ciała (bryły sztywnej).

Prędkość – wielkość wektorowa, opisująca zmianę położenia w czasie (mówi jak szybko i w jakim kierunku coś się porusza). Zwyczajowo oznaczana literą v w ruchu prostoliniowym, jeśli zaś myślimy o ruchu po łuku – oznaczana literą ω (omega).

Zauważmy, że ciało będące w ruchu tym trudniej jest zatrzymać, im większą ma prędkość i masę (np. szybko lecący ptak czy wolno tocząca się lokomotywa). Wielkością fizyczną opisującą to spostrzeżenie jest pęd – wektor będący iloczynem masy i prędkości (p = m v). Zaś zasada zachowania pędu mówi, że w układzie izolowanym suma wektorowa pędów wszystkich elementów jest stała.

Siła – to miara fizyczna oddziaływań fizycznych między ciałami, a dokładniej wektor mówiący, jak trudno jest zmienić pęd ciała (formalnie: zmiana pędu w czasie F = dp/dt. Jest ona również równa iloczynowi masy i przyspieszenia F = m a – o czym mówi II zasada dynamiki Newtona. Oczywiście zakładamy, że masa ciała podczas ruchu nie ulega zmianie).

Trzy zasady dynamiki klasycznej Newtona dają fundamenty mechaniki klasycznej, ale również biomechaniki sportu.

Pierwsza, to zasada bezwładności, mówiąca – w uproszczeniu – o tym, iż ciało, na które nie działając żadne siły lub siły te równoważą się, pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym. Bezwładność ciała to jego zdolność do przeciwstawiania się wszelkim zmianom ruchu, zaś jego miarą jest masa.

Druga zasada dynamiki, opisuje ruch ciała, na które działa niezerowa siła wypadkowa. Ciało takie porusza się z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do tej siły, a odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała ( a = F/m )

Trzecia zasada dynamiki Newtona mówi o wzajemności oddziaływania ciał. Siły wzajemnego oddziaływania dwóch ciał mają takie same wartości, taki sam kierunek, przeciwne zwroty i różne punkty przyłożenia (każda działa na inne ciało)

W wielu sytuacjach, zamiast masy ciała (rozumianej jako miara bezwładności) rozważamy środek masy ciała – rozumiany jako taki punkt materialny, w którym skupiona jest cała masa w opisie układu. Pojęcie to umożliwia stosowanie pewnych uproszczeń – zamiast rozważać masę ciała, możemy mówić o jego masie punktowej i wskazać, gdzie ten punkt się znajduje. Gdyby ciało było jednorodne, środek masy pokrywał się będzie ze środkiem geometrycznym bryły (np. dla koła byłby to jego środek, dla kwadratu – punkt przecięcia przekątnych). Jednak w ogólnym przypadku, przy jego wyznaczaniu należy uwzględnić rozkład gęstości, zaś sposób jego wyznaczania zdecydowanie wykracza poza to opracowanie. Natomiast środek masy łatwiej nam jest sobie wyobrazić uwzględniając ziemskie pole grawitacyjne – pokrywa się on ze środkiem ciężkości (a więc punktem, w którym przyłożona jest wypadkowa siła ciężkości danego ciała). Jak wiadomo z lekcji statyki, ciało nie przewraca się, jeśli rzut jego środka ciężkości nie wykracza poza podstawę (lub wielokąt wyznaczony przez punkty podparcia). Człowiek jest istotą dwunożną, w pozycji stojącej jego punkty podparcia wyznaczają stopy. Człowiek jest w tej pozycji stabilny, gdyż jego środek ciężkości wypada nad obręczą biodrową – aby to było możliwe, kręgosłup ludzki jest wygięty w odcinku lędźwiowym do przodu (lordoza). Obniżając środek ciężkości (np. silnie uginając nogi w kolanach) uzyskujemy większą stabilność układu ciała. Pochylając się z rakietą wyciągniętą w prawej ręce albo robimy odpowiedni wykrok, albo wychylamy w przeciwnym kierunku rękę drugą – wszystko po to, by nasz środek ciężkości nie opuścił obrysu punktów podparcia.

Zasady dynamiki można zapisać również dla wielkości kątowych w ruchu obrotowym, ale dopiero po zastosowaniu pewnych nieoczywistych analogii.

W ruchu obrotowym, przy ustalonej osi obrotu, mówimy o prędkości kątowej (ω) – czyli zmianie kąta obrotu w czasie.

Miarą bezwładności ciała w obrocie wokół osi w odległości r jest moment bezwładności I, wprost proporcjonalny do masy ciała i kwadratu promienia obrotu (I = m r²). Im większy moment bezwładności, tym trudniej zmienić ruch obrotowy ciała, np. rozkręcić dane ciało lub zmniejszyć jego prędkość kątową. Odgrywa on prawie taką samą rolę w dynamice ruchu obrotowego, jak masa w dynamice ruchu postępowego. Wyznaczanie momentu bezwładności brył sztywnych (a więc nie masy punktowej oddalonej o r od osi obrotu) jest rzeczą skomplikowaną, wykraczającą poza ten poradnik. Wspomnieć należy o twierdzeniu Steinera z mechaniki, które mówi, że moment bezwładności bryły sztywnej względem dowolnej osi jest równy sumie momentu bezwładności względem osi równoległej do danej i przechodzącej przez środek masy bryły (I0) oraz iloczynu masy bryły (m) i kwadratu odległości między tymi dwiema osiami (d²). Można zapisać to wzorem: I = I0 + md²

Analogią do pędu w ruchu postępowym, jest w ruchu obrotowym moment pędu (kręt). Dla ciała o momencie bezwładności I obracającego się wokół ustalonej osi z prędkością kątową ω można go wyrazić wzorem: L = I ω. Kręt jest wielkością wektorową i mówi, jak trudno jest zatrzymać obrót.

Zasada zachowania momentu pędu dla bryły mówi, iż moment pędu jest stały, gdy nie działa na nią żaden moment siły zewnętrznej (L = const.).

Siła odśrodkowa działa na ciało obracające się, odpychając je od osi obrotu (F = m ω² r).

Moment obrotowy (moment siły): skręca ciało, jeśli wektor siły przyłożony jest poza osią obrotu – jest iloczynem wektorowym wektora ramienia i wektora siły ( M = r × F ). Moment obrotowy zmienia moment pędu ciała: im mocniejszą i dalej od osi przyłożymy siłę, tym szybciej ciało się rozkręca. Oś obrotu sztywno obracającego się ciała nie chwieje się, jeśli moment pędu jest stały w czasie (moment obrotowy znika).

Energia elastyczna:

w biomechanice, energia, która zostaje wygenerowana w rezultacie napięcia mięśni. Napinając mięśnie kumulujemy w nich energię, którą następnie wkładamy w uderzenie.

Łańcuch koordynacji:

w biomechanice, są to części ciała traktowane jako system ogniw, gdzie siła wytworzona w jednym ogniwie jest przekazywana ogniwu następnemu. Optymalna koordynacja poszczególnych części ciała prowadzących do uderzenia, z jednej strony pozwala uzyskanie dużej siły czy wytworzenie dużej prędkości rakiety, z drugiej zaś pozwala na uniknięcie często bardzo poważnych kontuzji. W tenisie, przy wykonywaniu uderzeń ogniwami łańcucha są:

nogi–biodra–tułów–ramię–łokieć–dłoń

Przy uderzeniu z głębi kortu forehand-em wszystkie segmenty ciała biorące w nim udział muszą być skoordynowane, aby sprawić, by rakieta osiągnęła swą największą prędkość w momencie zderzenia z piłką. Wykonanie skutecznego uderzenia poprzedzone jest ruchem wielu segmentów ciała, począwszy od jego dolnych części, poprzez tułów aż do ręki, w której trzymana jest rakieta. Należy pamiętać o tym, że usunięcie jakiegoś składnika z tego łańcucha redukuje liczbę segmentów ciała wykorzystywanych do generowania prędkości rakiety przy uderzeniu.

Trzaskający bicz:

Końcówka bicza, w rekach profesjonalisty, porusza sie z prędkością 750 m/s, co oznacza prawie 2 krotną prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu, stąd słyszany jest charakterystyczny trzask rzemienia przekraczającego barierę dźwięku.

Technika trzaskania z bicza:

faza pierwsza – to dość spokojny ruch rękojeścią do tyłu rozprostowujący rzemień i wprawiający go w ruch jednostajny;
faza druga – to nagła zmiana kierunku ruchu rękojeści i jej silne przyspieszenie.

Proszę wyobrazić sobie, że główka rakiety jest rzemieniem, natomiast rączka rękojeścią.