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Desbloqueando a física de 12 esportes com um smartphone

O esporte não é apenas uma demonstração de força física ou talento natural. É também uma série complexa de movimentos, reações e decisões, todos influenciados pelas leis da física. Ao aproveitar a tecnologia ao nosso alcance, podemos não só melhorar o nosso desempenho, mas também aprofundar a nossa compreensão dos princípios científicos subjacentes a cada movimento, cada salto, cada golpe. Então, pronto para combinar sua paixão pelo esporte com uma pitada de ciência? Pegue seu smartphone e vamos começar a exploração!


Antes de começarmos, porém, uma palavra de cautela: os smartphones são dispositivos delicados, por isso é preciso ter cuidado para protegê-los quando usados como instrumentos de medição.


Índice


Medindo instrumentos


Para realizar os experimentos descritos neste artigo, você utilizará os sensores de um smartphone ou tablet . Os que utilizaremos estão presentes na maioria dos dispositivos digitais. Os dados desses sensores podem ser coletados por meio de aplicativos científicos disponíveis nas lojas iOS ou Android. O aplicativo gratuito FizziQ , disponível para iOS e Android, é perfeitamente adequado para analisar dados para os experimentos que oferecemos.

  • O GPS: Através da análise de sinais de satélites, o chip GPS de um smartphone permite medir velocidade, altitude e distâncias. Esses dados são úteis para avaliar o desempenho de corredores ou ciclistas e identificar os fatores que influenciam seus resultados.

  • O pedômetro: O pedômetro mede a cadência de uma caminhada ou corrida. No esporte, avalia o ritmo de uma corrida e sua consistência.

  • O acelerômetro: Este instrumento mede a aceleração linear e absoluta. Fornece informações valiosas para analisar saltos em atividades de cama elástica ou a energia dos impactos no boxe.

  • A câmera de vídeo: usada com software de análise de vídeo, pode determinar a posição de um objeto ou pessoa ao longo do tempo, a partir da qual se pode deduzir velocidade, aceleração ou energia. Os dados coletados fornecem informações sobre trajetórias no basquete, transformação de energia no salto com vara, trajetória de uma peteca no badminton, colisão de bolas de petanca, efeito Magnus no futebol ou posição do centro de gravidade durante um mergulho.

  • O giroscópio: Este sensor determina a velocidade de rotação do smartphone. Pode ser usado na análise de movimentos rotacionais, como lançamentos de disco ou martelo.

  • O microfone: Utilizado em conjunto com outro instrumento como o acelerômetro, mede a velocidade de reação dos atletas, por exemplo, no início de uma corrida.


Agora, vamos explorar como podemos usar essas ferramentas de medição para entender melhor vários esportes.



Correndo


Correr é provavelmente o esporte que pode ser estudado com mais facilidade. Aparentemente simples, é na realidade uma dança complexa de biomecânica, fisiologia e psicologia. Seu estudo aborda os temas desempenho, velocidade de reação e fisiologia do corpo humano.


Em primeiro lugar, a análise do desempenho. Medindo a velocidade registrada pelo GPS ou o número de passos ao longo do tempo medidos pelo pedômetro, pode-se estudar a velocidade da corrida em relação à distância, sua regularidade, a cadência dos passos e sua duração. Ao comparar esses parâmetros para diferentes corredores, pode-se começar a entender o que determina o desempenho de cada um.


Outro tópico de interesse diz respeito à sequência de início da corrida . Este momento crucial pode ser estudado gravando simultaneamente o volume do som e a medição da aceleração (função Duo Screen no FizziQ). Ao comparar essas duas informações, mede-se a velocidade de reação do corredor, que é o atraso entre o sinal sonoro e o movimento do atleta. Este tempo pode ser comparado com o de outros atletas.


Um último tópico diz respeito aos riscos médicos associados à corrida . Usando o acelerômetro, mede-se a força de impacto de cada passo nas pernas, que normalmente é de 5 a 10 vezes o peso do corredor, ou 5 a 10 g. Essa observação abre discussões sobre muitas questões, como se é mais saudável correr descalço ou calçado, ou se praticar esse esporte a partir de certa idade é recomendado para as articulações.



Trampolim


O trampolim, muito mais do que uma brincadeira de criança, é na verdade um campo de experimentação extremamente interessante da gravitação . Usando o acelerômetro, pode-se estudar vários aspectos do salto, especialmente saltos e vôo.


É sempre um pouco desafiador conceituar que durante a fase de vôo o atleta não está apenas em queda livre, mas a partir de seu referencial, ele também está em ausência de peso, como Einstein demonstrou em um famoso experimento mental . Durante a fase de vôo, o acelerômetro exibirá aceleração zero, confirmando que o atleta está em estado de ausência de peso. O fenômeno, que pode parecer passageiro na cama elástica, pode ser avaliado com precisão: quanto tempo um atleta realmente passa em queda livre? Verificamos que a aceleração absoluta é zero?


Ao pousar, outras questões podem ser abordadas: qual a aceleração quando o atleta volta a tocar o tatame e como isso influencia no próximo salto? Qual será o amortecimento se o atleta não realizar nenhuma ação?



Salto com vara


O salto com vara, um balé aéreo onde os humanos procuram desafiar a gravidade, é uma homenagem à biomecânica humana e às leis da física. Por trás de cada lançamento existe uma coreografia de ângulos, forças e momentos cruciais, cada um desempenhando um papel crucial na busca pela altura.


Durante a corrida, o sistema atleta-pole adquire uma certa energia cinética . Essa energia é transformada em energia elástica do poste após o plantio e o atleta decola. Através de um movimento de balanço, o saltador aumenta ainda mais a energia elástica. Durante a subida, o bastão se solta, convertendo a energia elástica em energia potencial do atleta. Durante a fase de inversão, o atleta continua a subir de cabeça para baixo e passa pela barra após um empurrão final. O salto com vara é, portanto, um movimento altamente complexo e técnico.


A melhor ferramenta para estudar a mecânica do salto com vara é a análise cinemática de um vídeo ou cronofotografia . Pode-se filmar um saltador ou usar um vídeo da biblioteca cinemática FizziQ . Com esta ferramenta é possível estudar como, durante cada fase, a transformação e aporte de energia permite ao atleta atingir o ponto mais alto possível. Por exemplo: qual a contribuição da corrida para o ganho de altura? Qual é a energia elástica armazenada no pólo? O empurrão final ajuda o atleta a subir mais alto? Como o movimento de inclinação cria energia mais elástica?




Basquetebol


O vôo de uma bola de basquete em direção ao aro é mais do que um gesto esportivo; é uma parábola viva, uma ilustração perfeita das leis da física que pode ser facilmente estudada usando a câmera de um smartphone e o módulo de análise cinemática FizziQ .


Estudar a trajetória de um lance livre no basquete é um exercício muito interessante para os alunos, que também podem fazer seu próprio vídeo para análise. Para isso, o smartphone é posicionado a uma distância suficiente para evitar distorções devido à grande angular. A tomada deve permanecer fixa durante a duração do vídeo. Será usada uma taxa de quadros de 30 ou 60 quadros por segundo. A altura do bastidor pode servir como escala (veja este link para mais detalhes sobre a criação de vídeos para cinemática).


A partir deste vídeo (ou baixado da internet), a curva de movimento é então analisada. Sua equação, que é uma parábola, será determinada. Este cálculo permitirá que alunos do ensino médio estimem a aceleração da gravidade, g.



Lançamento de disco


O lançamento do disco é um exercício de transformação de energia que requer técnica precisa para obter os melhores resultados. Durante a fase de rotação, o atleta acumula energia cinética utilizando a força muscular e explorando o atrito entre os pés e o solo. Essa energia, adquirida pela rotação do corpo, é então transmitida ao disco durante a fase de lançamento.


Um dos elementos críticos desta técnica é a velocidade de rotação do atleta. Uma rotação rápida permite mais transferência de energia para o disco, resultando em um lançamento mais longo.


Para analisar o arremesso, pode-se utilizar o giroscópio de um smartphone acoplado ao braço do atleta. As medidas determinarão a velocidade de rotação do atleta e fornecerão uma estimativa da energia cinética do disco durante o lançamento.


A trajetória de um disco giratório não é uma parábola. Se o disco for lançado com um ângulo negativo em relação ao ângulo de trajetória inicial, o disco poderá viajar muito mais longe do que um peso equivalente lançado na mesma velocidade. Pode-se tentar estimar a diferença de trajetória com base em dados de campo.



Ciclismo


Esporte mecânico, o ciclismo aborda outras questões esportivas, especialmente a forma de multiplicar esforços e forças de resistência.


A primeira análise diz respeito ao funcionamento da bicicleta e a uma parte crucial: a troca de marchas. Graças a esta invenção, os ciclistas podem manter uma cadência de pedalada ideal, independentemente da velocidade da bicicleta. Também permite aplicar torques significativos em subidas ou partidas. Para compreender melhor a utilidade da mudança de marcha, por que não realizar a seguinte análise? Escolha uma determinada distância (50 metros, por exemplo) e meça o tempo que um ciclista leva para atingir essa marca o mais rápido possível. Além disso, meça a velocidade alcançada usando GPS. Qual equipamento é melhor?


Uma segunda análise diz respeito ao atrito. Na verdade, a equação para andar de bicicleta em uma estrada plana é simples: a entrada de energia é dissipada como energia de atrito, sendo a principal delas, além de uma certa velocidade, a resistência do ar, proporcional à área da superfície frontal. Para estudar o impacto da resistência do ar, pode-se medir a desaceleração causada por diferentes posições do ciclista usando GPS: em posição de corrida ou pisando nos pedais.



Boxe e artes marciais


O soco de 1 polegada de Bruce Lee é um testemunho icônico do amálgama de técnica, velocidade e potência. Embora possa parecer místico para olhos destreinados, a física subjacente a esse movimento pode ser explorada usando nosso smartphone. Esta exploração ajudará a responder a uma das perguntas mais comuns feitas no boxe e nas artes marciais: “Qual é o verdadeiro poder de um soco?”.


Para dissecar esse soco lendário, você pode usar o acelerômetro do smartphone. Prenda o smartphone com segurança a um saco de pancadas ou alvo que possa absorver o impacto. Quando o soco de 1 polegada for executado no alvo, o smartphone registrará a intensidade da força por meio de mudanças na aceleração. Essa aceleração, combinada com a massa do saco, permite calcular a força do punção utilizando a segunda lei de Newton (Força = massa x aceleração). Além disso, conhecendo a duração da aplicação dessa força, podemos estimar a energia do soco. Embora este método não meça diretamente a força do soco do boxeador, ele fornece uma indicação valiosa do impacto sentido por um oponente (ou, neste caso, pelo saco).


Também é possível analisar o movimento e a velocidade do braço ou perna durante um chute acoplando um smartphone diretamente no pulso e analisar a aceleração. Ou, para ter uma visão mais global, gravar um vídeo em câmera lenta da câmera do smartphone, que pode ser analisado com o módulo de cinemática.


O boxe e as artes marciais são formas pouco utilizadas de apresentar aos alunos os conceitos de energia por meio de exemplos práticos e populares. No entanto, eles devem ter cuidado para não prejudicar ninguém através da experimentação.



Mergulhando


É comumente aceito que uma bola lançada ao ar, na ausência de atrito, seguirá uma trajetória parabólica. Mas quando se trata de um mergulhador dando uma cambalhota, a trajetória do centro de gravidade permanece parabólica? Para responder a esta questão, um estudo prático pode ser realizado durante uma visita a uma piscina onde é filmado o mergulho de um atleta. Para quem não tem acesso à piscina próxima, pode-se consultar um vídeo do mergulhador disponível na videoteca FizziQ.


Usando o vídeo de um mergulho em cambalhota que você encontra na videoteca cinemática do FizziQ , você pode realizar a análise completa de um movimento de mergulho em cambalhota. Numa primeira análise podemos estudar o movimento de diferentes partes do corpo como a cabeça do mergulhador e, numa segunda, os pés. Observa-se que as curvas geradas a partir destes pontos diferem consideravelmente.


Contudo, a mecânica assegura-nos que o centro de gravidade de um corpo em queda livre, não afetado pelo atrito, descreve uma parábola. Para realizar esta análise, pode-se tentar estimar a posição do centro de gravidade do atleta em cada imagem, obtendo assim uma trajetória parabólica para este ponto.


Também é possível modelar o centro de gravidade do mergulhador com mais precisão, identificando cada parte do corpo, depois exportando suas coordenadas para o Excel e aplicando os pesos das tabelas de Leva que fornecem a distribuição de massa do corpo humano . Usando este método frequente de análise biomecânica, verificamos então que a trajetória do centro de gravidade é de fato uma parábola.



Petanca


A petanca oferece um campo de jogo muito interessante para estudar um fenômeno que não havíamos explorado anteriormente: as colisões. Usando um smartphone, podemos aprofundar a nossa compreensão das interações físicas que ocorrem quando uma bola atinge outra.


A primeira análise envolve estudar o resultado de uma colisão quando um jogador arremessa “au fer”, ou seja, a bola é lançada ao ar e atinge a bola do adversário antes de atingir o solo. Esta sequência será filmada a uma taxa de 60 ou 120 quadros por segundo. Ao analisar o vídeo utilizando ferramentas de análise cinemática, como o aplicativo FizziQ, podemos determinar o coeficiente de restituição durante uma filmagem. O que podemos deduzir sobre a estratégia durante o tiro “au fer”?


Outra análise envolve medir a frequência do som quando duas bolas se chocam. Essa frequência varia dependendo das bolas? As bolas de qualidade superior produzem um som diferente?



Badminton


O badminton se destaca dos demais esportes de raquete pelo seu projétil específico: a peteca. Seu formato único resulta em uma trajetória distinta sem salto, exigindo que os jogadores antecipem seus movimentos. A peteca permite uma variedade de golpes, desde golpes rápidos até quedas sutis, promovendo trocas táticas. Esta especificidade exige que os jogadores estejam em excelentes condições físicas para se movimentarem rapidamente e uma estratégia refinada para superar o adversário.


A trajetória específica da peteca de badminton pode ser facilmente estudada através de análise de vídeo. Se não houver local para capturá-lo, pode-se usar um vídeo de um lance de badminton da biblioteca FizziQ . É impossível determinar formalmente a equação da trajetória, mas ainda é possível identificar três fases distintas. Uma trajetória inicial rápida: logo após ser atingida, a peteca viaja a uma velocidade relativamente alta, parecendo quase linear em uma curta distância. Uma forte desaceleração: Devido à sua forma e construção, a peteca desacelera bastante rapidamente, dando à sua trajetória geral uma forma geralmente parabólica. Uma queda quase vertical: O final da trajetória quando a peteca é lançada muito alto tem características de uma queda vertical.



Futebol


Estudar a sustentação ou efeito Magnus com uma bola de futebol é particularmente interessante, pois destaca os princípios da mecânica dos fluidos em ação no esporte. Este fenômeno é frequentemente observado quando um jogador de futebol gira a bola, fazendo-a seguir uma trajetória curva em vez de reta. O efeito Magnus ocorre quando a rotação da bola cria uma diferença de pressão de um lado para o outro, causando uma força perpendicular à sua trajetória.


Para estudar esse efeito com precisão, a análise de vídeo é uma ferramenta poderosa. Ao filmar o chute de um jogador de futebol de diferentes ângulos, é possível traçar a trajetória da bola em tempo real. Usando um software de análise cinemática como o FizziQ, é possível marcar a posição da bola quadro a quadro, visualizando sua trajetória curva e medindo a extensão da curvatura com base na rotação inicial dada à bola. Além disso, comparando os arremessos com e sem giro, pode-se entender melhor a influência da rotação na trajetória da bola. Assim, a utilização da análise de vídeo para estudar a sustentação no futebol proporciona um meio tangível de explorar e compreender este fenómeno fascinante que é central em muitos momentos desportivos memoráveis.



Salto em Distância Paralímpico


O salto em distância paraolímpico, com o uso de lâminas de carbono, oferece uma mistura fascinante de determinação humana e habilidade tecnológica. Como todos os outros esportes paraolímpicos, incorpora adaptabilidade diante das adversidades e fornece uma plataforma única para o estudo da biomecânica dos movimentos. Além disso, esta disciplina levanta questões cruciais sobre a justiça no desporto, ao mesmo tempo que serve como um poderoso símbolo de inclusão e inspiração. A interação entre o atleta e a tecnologia moderna neste contexto específico desperta admiração e curiosidade.


Todas as análises que realizamos anteriormente são possíveis para os esportes paralímpicos, mas outras análises também podem ser realizadas, esclarecendo o entendimento desses esportes.


Por exemplo, no caso do salto em distância paralímpico com “lâminas”, pode-se explorar as seguintes questões : Que assimetria é criada pelo uso de próteses durante a corrida, e isso é uma desvantagem? Como a rigidez de uma “lâmina” ou “lâmina” se compara à de uma perna válida? O ângulo de decolagem é semelhante entre um atleta paralímpico e não paralímpico? Algumas destas questões podem ser estudadas através de um smartphone, quer através de medição direta ou análise de vídeo.



Conclusão


Ao longo dos anos, a simbiose entre ciência e desporto fortaleceu-se, abrindo caminho para avanços notáveis na compreensão do desempenho humano. As ciências, sejam físicas, biológicas ou sociais, fornecem informações valiosas sobre os mecanismos, técnicas e estratégias que melhoram o desempenho atlético. Eles dissecam, analisam e propõem soluções inovadoras para ultrapassar os limites do que o corpo e a mente podem alcançar.


Contudo, o desporto não é apenas um campo de aplicação das ciências; eles também se tornam um assunto de estudo fascinante por si só. Nas escolas e universidades, a análise desportiva, facilitada pela disponibilidade de dispositivos de medição digitais como smartphones, oferece uma oportunidade única para abordar conceitos científicos de forma concreta e vívida, ao mesmo tempo que estimula a curiosidade e o entusiasmo dos alunos.


Os próximos Jogos Olímpicos de Paris realçam ainda mais esta interdependência. Este evento global mostra a excelência atlética, onde cada fração de segundo é importante e onde as inovações científicas podem fazer a diferença. Mas é também um laboratório a céu aberto para investigadores, chamando a atenção para a importância da continuidade dos estudos interdisciplinares entre o desporto e as ciências.



Referências

Próteses tibiais de saut en longueur handisport - Jean BOUTEILLER, Pierre-Adrien BREARD, Paul FRAPART, Cyril VOISARD, Maxime VRAIN



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