Các quy luật vật lý đằng sau cú sút bóng

Bóng đá là môn thể thao đòi hỏi tốc độ, sức mạnh, sức bền và chiến lược, nhưng hẳn là việc kiểm soát trái bóng tốt cũng đòi hỏi sự am tường về vật lý.

Bài viết này sẽ phân tích các quy luật vật lý được phản ánh như thế nào trong bóng đá. Một số việc có vẻ rất tầm thường, nhưng những logic vật lý của chúng lại rất thú vị.

Các định luật chuyển động của Newton

Theo định luật 1 của Newton, nếu không có lực nào tác động vào một trái bóng, nó sẽ tiếp tục chuyển động với cùng vận tốc và hướng như cũ. Khi chúng ta đặt trái bóng trên cỏ, nó sẽ nằm yên ở đó (chuyển động bằng không) vì không có lực nào tác động. Tuy nhiên, sau khi chúng ta đá bóng, nó sẽ tiếp tục di chuyển theo hướng ta đá nó. Tốc độ của nó sẽ giảm dần do ma sát, nhưng hướng chuyển động sẽ vẫn như cũ.

Theo định luật 2 của Newton, một lực tác động lên một vật thể sẽ thay đổi gia tốc của vật thể đó – tức tỷ lệ thay đổi tốc độ của vật thể. Khi chúng ta đá vào trái bóng, lực tác động lên bóng sẽ tạo ra gia tốc từ vận tốc bằng 0 đến hàng chục km/h. Khi bóng rời khỏi chân, nó bắt đầu giảm tốc (gia tốc âm) vì lực ma sát được sinh ra đang cố gắng chống lại chuyển động của nó. Nếu chúng ta đá vào một trái bóng trong không gian vũ trụ, ở đó không có lực ma sát, nó có thể tăng tốc trong thời gian của cú đá, và sau đó tiếp tục chuyển động ở vận tốc không đổi theo hướng ta đã sút bóng cho đến khi nó chạm phải các vật thể khác hoặc một lực khác tác động lên nó.

Khi bóng rời khỏi chân, nó bắt đầu giảm tốc vì lực ma sát được sinh ra đang cố gắng chống lại chuyển động của nó.

Khác biệt giữa cú sút bằng má bàn chân và bằng mũi bàn chân

Hai điều sẽ xuất hiện khi chúng ta đá trái bóng bằng má trong. Thứ nhất, động năng lên trái bóng là khá hạn chế, điều này khiến cho bóng không đi được xa. Thứ hai, chúng ta điều khiển trái bóng với cả bản chân, vì thế trái bóng sẽ đi đúng quỹ đạo mà cầu thủ đã nhắm tới. Khi cầu thủ sút bóng bằng mũi bàn chân, bóng sẽ đi mạnh hơn nhưng sẽ kém chính xác hơn.

Vấn đề xảy ra với cú sút bóng bằng mũi bàn chân, đó là cầu thủ cung cấp cho trái bóng một lực rất mạnh ở diện tích tiếp xúc nhỏ – đó là đầu các ngón chân. Thêm nữa, nếu bạn đá bóng trên bãi biển bằng chân trần, bạn sẽ bị đau khi chạm bóng bằng mũi bàn chân do lực tác động bị tập trung vào một điểm nhỏ. Ngược lại, lực tác động vào trái bóng trong cú sút bằng má bàn chân được phân bổ trên diện tích rộng hơn khiến cho người sút bóng không bị đau.

Nhắm vào đâu trên trái bóng khi sút bằng mũi bàn chân?

Khi sút bóng bằng mũi bàn chân, nếu điểm va chạm nằm ở chính giữa trái bóng, nó sẽ đi theo quỹ đạo thẳng và mạnh, và bóng sẽ lăn trên sân cỏ cho đến khi lực ma sát khiến nó dừng lại. Ngược lại, nếu điểm chạm không ở tâm trái bóng, nó sẽ tự quay quanh trục, tùy vào điểm tác động. Va chạm ở phía trên trái bóng sẽ khiến bóng quay tròn về phía trước. Chạm ở phía đáy của bóng sẽ biến nó về phía sau. Tuy vậy, trong cả hai trường hợp, sau một khoảng thời gian ngắn, lực ma sát gây ra với trái bóng bởi mặt cỏ sẽ khiến cho bóng quay tròn về phía trước.

Khi cầu thủ sút bóng ở bên cạnh trái bóng, trái bóng bắt đầu quay tròn trong không trung tùy thuộc vào điểm sút bóng.

Điều thú vị hơn là khi cầu thủ sút bóng ở bên cạnh trái bóng, trái bóng bắt đầu quay tròn trong không trung tùy thuộc vào điểm sút bóng. Khi điểm chạm bóng là phía ngoài bóng và xuống thấp một chút gần đáy trái bóng, điều tuyệt vời sẽ xuất hiện: trái bóng sẽ bay lên không trung trong khi tự quay quanh trục của nó. Lúc đầu, bóng sẽ bay chính xác theo hướng sút bóng, và nó sẽ chậm dần do lực ma sát của không khí, chuyển động quay của bóng sẽ khiến không khí ở một bên của bóng chuyển động nhanh hơn bên còn lại, vì thế sau đó bóng sẽ chuyển hướng sang trái hoặc phải, tùy thuộc vào điểm tác động của lực vào trái bóng. Điều này được gọi là hiệu ứng Magnus, tên thường được gọi hơn là cú sút "hình quả chuối (như cú sút phạt hình quả chuối nổi tiếng của Roberto Carlos – đội tuyển Brazil).

Sơ đồ minh họa cú sút không thể tin nổi của Roberto Carlos vào đội tuyển Pháp 22 năm trước.

Một ví dụ khác trong một trận đấu, trái bóng được sút ở phía điểm phạt góc, ở một góc 1800 với khung thành, nhưng bóng vẫn bay vào lưới. Trong trường hợp này, giống như phía trên, cầu thủ chạm bóng rất mạnh, với sự tự quay tròn, trái bóng đã đổi hướng gần như hoàn toàn thành quỹ đạo hình trái chuối vào bay vào khung thành.

Liệu cú sút hình trái chuối đủ mạnh có khiến trái bóng bay ngược trở lại?

Rất tiếc là không. Không kể là cú sút mạnh ra sao và chính xác thế nào, vì trái bóng bay trong không khí và ma sát của không khí sẽ làm cho nó bay chậm lại, khiến cho bán kính quay của trái bóng trở lên nhỏ dần. Trái bóng về lý thuyết có bay thành hình tròn nhỏ hơn dần, nhưng để có thể làm như thế, nó cần phải tự quay cực nhanh xung quanh trục, nhanh hơn rất nhiều so với trường hợp cầu thủ có thể tạo ra bằng cú sút của mình.

Vì sao các cầu thủ sút bóng bổng để ghi bàn trong trường hợp cách xa khung thành?

Theo định luật 2 Newton, một lực tác động vào vật thể sẽ khiến cho nó tăng tốc. Khi lực tác động không còn và có 1 lực theo hướng ngược lại, sẽ khiến cho đối tượng giảm tốc. Khi một cầu thủ sút bóng, anh ta tác động một lực vào trái bóng khiến nó tăng tốc thành tốc độ cao. Tại thời điểm bóng rời khỏi chân cầu thủ, nó sẽ dừng tăng tốc, và từ thời điểm đó trở đi, chỉ có 2 lực tác động vào nó: lực ma sát của không khí khiến bóng đi chậm lại và trọng lực kéo bóng rơi xuống. Khi bóng đang bay, nó bay chậm dần và rơi xuống thấp dần, để khiến cho trái bóng có thể bay gọn vào khung thành thay vì rơi xuống quá sớm, nó cần được sút đủ cao. Do đó lần sau khi bạn thấy một cầu thủ sút bóng từ nửa sân vào lưới, một hiện tượng vật lý rất phức tạp đã được thực hiện.

Sự khác biệt giữa việc phá bóng và bắt bóng ở cầu môn

Năng lượng có thể tạo thành công hoặc lực, tạo ra chuyển động hoặc sinh nhiệt… Năng lượng không bao giờ mất đi, mà chuyển từ đối tượng này sang đối tượng khác, và từ dạng này sang dạng khác (từ động năng sang nhiệt năng…) Khi một trái bóng bay đến thủ môn với tốc độ cao, anh ta có 2 lựa chọn: bắt bóng bằng 2 tay hoặc phá bóng ra.

Trái bóng bay tới khung thành với một động năng rất lớn. Theo định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng không thể bị mất đi, mà cần chuyển hóa từ đối tượng này sang đối tượng khác, từ dạng này sang dạng khác. Vì năng lượng của trái bóng là cao, phá bóng bằng tay có thể gây chấn thương cho thủ môn vì năng lượng của trái bóng bị hấp thụ hoàn toàn vào lòng bàn tay của thủ môn (một diện tích nhỏ), và một phần năng lượng phản xạ vào trái bóng khi nó được đẩy sang hướng khác. Vì thế, rất nhiều thủ môn chọn cách phá bóng thay vì bắt bóng vì nó khiến anh ta đỡ phải chịu lực lớn. Ngược lại, khi thủ môn bắt bóng, anh ta dừng trái bóng trong tay và hấp thụ năng lượng của trái bóng, với cú sút đủ mạnh, anh ta sẽ bị đẩy lùi về phía sau. Vì vậy, thủ môn thường nằm đè lên bóng hoặc xoay tròn với trái bóng – điều này sẽ khiến anh ta kiểm soát tốt năng lượng lớn đi cùng trái bóng, ngăn cản bóng đi vào khung thành.

Vì sao cầu thủ đi giày đinh?

Khác với các môn thể thao khác, bóng đá được chơi trên sân cỏ. Cỏ có bề mặt rất trơn, nhưng nó cũng tạo ra rất nhiều ma sát với trái bóng. Khi bóng lăn trên cỏ, cỏ chà xát trái bóng và khiến nó chậm lại. Tuy nhiên, các cầu thủ bị ảnh hưởng khá ít bởi mặt cỏ, thậm chí là hoàn toàn ngược lại: họ có thể bị trượt trên mặt cỏ. Những chiếc đinh trên giày giữ cầu thủ đứng trên mặt cỏ và giữ họ không bị trượt đi. Nhưng đó không phải là vai trò duy nhất của đôi giày đinh. Nhờ những chiếc đinh đứng trên mặt sân cỏ thay vì cả bàn chân dẫm lên mặt cỏ, các cầu thủ có thể chạy nhanh hơn. Điều này giống như những chú báo săn, với bộ vuốt cắm trên mặt đất, khi chúng chạy, hoàn toàn chạy trên bộ vuốt của mình. Điều này giảm đi ma sát giữa báo săn với mặt đất, giúp chúng chạy nhanh hơn để săn mồi.

Cuối cùng, theo định luật thứ 3 của Newton, bất kể lực tác động nào cũng tạo một phản lực có hướng ngược lại và độ lớn tương đương. Những đôi giày đinh cũng giúp hấp thụ các phản lực từ các trái bóng khi các cầu thủ sút bóng, khiến cho họ không bị đau khi sút.

Tiến sỹ Erez Garty

Viện nghiên cứu Khoa học Giáo dục Davidson

Thiện Tâm biên dịch