Определение допустимого угла вылета и скорости мяча при броске баскетбольного мяча в корзину

18.06.2018

Определение допустимого угла вылета и скорости мяча при броске баскетбольного мяча в корзину

Определение допустимого угла вылета и скорости мяча при броске баскетбольного мяча в корзину
Власов Андрей Алексеевич
нет
ГБОУ СОШ 401
тренер, педагог дополнительного образования, магистрант ФФК ЛГУ им.Пушкина
Аннотация:

В данной статье рассчитываются допустимые угол и скорость вылета мяча при результативном броске мяча в баскетболе.


Abstract:

This article calculated allowable angle and speed of flight of the ball in efficiently shooting the ball in basketball.


Ключевые слова:

физическая культура; физика; математика; обучение; движение тела; брошенного под углом к горизонту; бросок; мяч; баскетбол.
Keywords:

physical culture; physics; mathematics; training; the motion of a body thrown at an angle to the horizon; shooting; ball; basketball.

УДК 796.323.2
Основные приемы игры в баскетбол: ведение мяча, передачи, бросок совершенствуются игроками на протяжении всей игровой карьеры.

В литературе встречаются рекомендации оптимального угла вылета мяча. Например, в педагогическом проекте Рознатовской В.Г. «Разработка методики обучения технике броска одной рукой от плеча с места в баскетболе у девочек 9-10 лет», указан угол 58 градусов. Однако не указано при каком расстоянии до кольца и при какой высоте подъема мяча должен применяться такой угол.
Актуальность. Бросок мяча в баскетболе выполняется игроком на основе его зрительного восприятия положения кольца, чувств мышечных усилий, тактильного ощущения мяча. Однако знания численных значений параметров движения мяча при броске полезно при обучении игре в баскетбол на начальном этапе.
Задача исследования. Определить допустимый угол вылета баскетбольного мяча в корзину при результативном броске.
Баскетболисты начального уровня обучения в возрасте 13-16 лет являются школьниками 6-9 классов общеобразовательных школ, где они в это же время в курсах математики и физики изучают темы, позволяющие формально описать движение мяча при броске его в кольцо. Вопросы, изложенные в статье, могут рассматриваться как практическое применение знаний, полученных на уроках физики и математики на баскетбольных тренировках.
Б. Коузи в книге «Баскетбол: концепции и анализ» описывает траекторию полета мяча следующим образом:
«Траектория полета мяча. Путь мяча от точки его вылета до центра кольца называется траекторией полета мяча. Видов траекторий может быть бесконечное количество. На рис. 1 показаны основные виды траекторий.Первая траектория самая короткая, но тем не менее она невыгодна, так как слишком пологая: мяч входит в корзину, имея почти горизонтальное направление полета, ввиду чего больше половины кольца закрыто передней частью обода... Вторая траектория более навесная, благодаря чему мяч легче попадает в корзину. Правда, путь мяча увеличивается, что отражается на точности попадания. Третья траектория самая навесная, мяч падает почти отвесно, ввиду чего ему открывается большая часть кольца, однако значительное увеличение пути мяча снижает точность попадания.
Из характеристики разных траекторий полета видно, что наиболее благоприятной является вторая (средняя), поэтому в большинстве случаев целесообразно бросать мяч именно с такой траекторией полета».
Различия в рассмотренных видах траекторий заключаются в различных углах вылета мяча. Определим допустимый угол. Траектория, при которой мяч попадает в корзину после отскока от щита, принципиально не отличается от рассматриваемой, поэтому в данном случае не рассматривается.
Угол, под которым движется мяч непосредственно у кольца, определяет, пройдет ли мяч через кольцо корзины, рисунок 2.
β > arc sin (d/D)          (1)
где β – угол, под которым мяч движется к кольцу,
d – диаметр мяча (240 мм),
D – диаметр кольца (450 мм).
β>32,230                          (2)
Определим угол, под которым мяч отрывается от руки. Предположим, что бросок происходит на расстоянии l метров от центра кольца, высота, на которую поднят мяч 3,05-h  метров. Разместим начало координат в точке вылета мяча, тогда координаты центра кольца будут (h;l), рисунок 1.
Для упрощения вычислений сопротивлением воздуха при движении мяча будем пренебрегать. Согласно законам движения, приведенным в учебном пособии для студентов высших педагогических учебных заведений «Механика» Е.М. Гершензона, Н.Н. Малова и А.Н.Мансурова,  формула закона движения мяча вдоль вертикальной оси Y :
   y=-g t2/2 + v t sin α                       (3)
вдоль горизонтальной оси X :
x = v t cosα                                    (4)
откуда
t = x / v cosα                                 (5)
подставляя полученное значение в (3), получаем
y = -g x2 / 2(v cosα)2 + v x tgα            или     y = -g (1+ (tgα)2) x2 / 2 v2 + x tgα    (6)
где
– координаты центра мяча в полете в осях X, Y;
– начальная скорость мяча;
α- угол вылета мяча;
– ускорение свободного падения.
Для точки (h;l)имеем равенство :
h = -g (1 + (tgα)2) l2 / 2 v2 + l tgα     (7)
, откуда
(1 + (tgα)2) /  v2  =  2 (l tgα-h )/g l2     (8)
Производная от формулы движения:
    y  (1 + (tgα)2) x  / 2 v2  + tgα        (9)
Таблица 1. Минимальные значения углов вылета мяча, град
h
l    0,5    0,55    0,6    0,65    0,7    0,75    0,8    0,85    0,9    0,95    1
4    41    42    43    44    44    45    46    46    47    48    48
4,1    41    42    43    43    44    45    45    46    47    47    48
4,2    41    42    42    43    44    44    45    46    46    47    48
4,3    41    41    42    43    44    44    45    46    46    47    47
4,4    40    41    42    43    43    44    45    45    46    47    47
4,5    40    41    42    42    43    44    44    45    46    46    47
4,6    40    41    42    42    43    44    44    45    45    46    47
4,7    40    41    41    42    43    43    44    45    45    46    46
4,8    40    40    41    42    43    43    44    44    45    46    46
4,9    40    40    41    42    42    43    44    44    45    45    46
5    40    40    41    42    42    43    43    44    45    45    46
5,1    39    40    41    41    42    43    43    44    44    45    45
5,2    39    40    41    41    42    42    43    44    44    45    45
5,3    39    40    40    41    42    42    43    43    44    45    45
5,4    39    40    40    41    41    42    43    43    44    44    45
5,5    39    40    40    41    41    42    42    43    44    44    45
5,6    39    39    40    41    41    42    42    43    43    44    44
5,7    39    39    40    40    41    42    42    43    43    44    44
5,8    39    39    40    40    41    41    42    43    43    44    44
5,9    38    39    40    40    41    41    42    42    43    43    44
6    38    39    40    40    41    41    42    42    43    43    44
Учитывая, что тангенс угла наклона касательной в точке равен производной в этой точке, имеем
   tg(180 – β) =   -g (1 + (tgα)2) l /  v2 + tgα           (10)
, а с учетом (8)
- tg β = -2 (l tgα –h)l / l2 + tgα               (11)
, откуда
tgα   = 2 h / l + tg β      (12)
С учетом условия (2) имеем
α > arctg( 2h / l + tg β )      (13)
Для различных h и  l , соответствующих разному росту игроков и расстоянию до кольца,  можно составить таблицу минимальных значений углов вылета мяча (таблица 1).
Таблица 2. Скорость вылета мяча, соответвующая минимальному углу, м/с
h
l    0,5    0,55    0,6    0,65    0,7    0,75    0,8    0,85    0,9    0,95    1
4    6,80    6,82    6,85    6,88    6,92    6,95    6,98    7,02    7,05    7,09    7,13
4,1    6,87    6,90    6,93    6,96    6,99    7,02    7,06    7,09    7,13    7,16    7,20
4,2    6,95    6,98    7,01    7,04    7,07    7,10    7,13    7,16    7,20    7,23    7,27
4,3    7,03    7,05    7,08    7,11    7,14    7,17    7,20    7,23    7,27    7,30    7,34
4,4    7,10    7,13    7,15    7,18    7,21    7,24    7,27    7,30    7,34    7,37    7,41
4,5    7,18    7,20    7,23    7,26    7,28    7,31    7,34    7,38    7,41    7,44    7,47
4,6    7,25    7,28    7,30    7,33    7,36    7,38    7,41    7,44    7,48    7,51    7,54
4,7    7,32    7,35    7,37    7,40    7,43    7,46    7,48    7,51    7,54    7,58    7,61
4,8    7,40    7,42    7,45    7,47    7,50    7,52    7,55    7,58    7,61    7,64    7,68
4,9    7,47    7,49    7,52    7,54    7,57    7,59    7,62    7,65    7,68    7,71    7,74
5    7,54    7,56    7,59    7,61    7,64    7,66    7,69    7,72    7,75    7,78    7,81
5,1    7,61    7,63    7,66    7,68    7,71    7,73    7,76    7,79    7,81    7,84    7,87
5,2    7,68    7,70    7,73    7,75    7,77    7,80    7,83    7,85    7,88    7,91    7,94
5,3    7,75    7,77    7,79    7,82    7,84    7,87    7,89    7,92    7,95    7,97    8,00
5,4    7,82    7,84    7,86    7,88    7,91    7,93    7,96    7,98    8,01    8,04    8,07
5,5    7,89    7,91    7,93    7,95    7,98    8,00    8,02    8,05    8,08    8,10    8,13
5,6    7,96    7,98    8,00    8,02    8,04    8,07    8,09    8,12    8,14    8,17    8,19
5,7    8,02    8,04    8,06    8,08    8,11    8,13    8,15    8,18    8,21    8,23    8,26
5,8    8,09    8,11    8,13    8,15    8,17    8,20    8,22    8,24    8,27    8,29    8,32
5,9    8,16    8,17    8,19    8,22    8,24    8,26    8,28    8,31    8,33    8,36    8,38
6    8,22    8,24    8,26    8,28    8,30    8,32    8,35    8,37    8,39    8,42    8,45
Скорость вылета мяча для конкретных значений h,  l и  α из (7):
       ____________________________      
     v = √ (-g (1+(tgα)2) l2 / 2 (h – l tgα)     (14)
Расчетные значения скорости вылета для h,  l и  α из соответствующей ячейки таблицы 1 представлены в таблице 2.
Площадь части кольца (области попадания), через которую может пройти мяч, увеличивается при увеличении угла, под которым мяч подлетает к кольцу (рисуноки 3,4,5 ). Видимая часть кольца представляет собой эллипс, но она равна области попадания только начиная с некоторого угла, до которого область попадания представляет собой комбинацию из части эллипса (эллипс без двух сегментов) и двух частей круга (двух сегментов), рисунок 6. При минимальном угле подлета область попадания равна кругу диаметром равным диаметру мяча.
Определим зависимость площади области попадания от угла подлета. Для этого воспользуемся каноническими формулами эллипса и окружности. Рисунок 6.
Формула эллипса в прямоугольной системе координат:
(y/a)2+(x/b)2=1              (1)
Формула окружности в прямоугольной системе координат:
y2+(x-x0)2=r2                 (2)
, где
b – большая полуось сегмента, в нашем случае радиус кольца R=225 мм;
a – малая полуось сегмента, в нашем случае R sinβ ,
         где β- угол подлета;
x0 – абсцисса центра окружности;
r  – радиус окружности, в нашем случае радиус мяча r=120 мм.
Пусть x1 – точка пересечения эллипса и окружности, тогда площадь области попадания определяется как площадь эллипса без двух сегментов, где x1 – крайняя точка сегмента, и площади двух сегментов круга, где x1 – также крайняя точка сегмента. Значение x0 определяется из условия, что x1 единственная точка пересечения эллипса и окружности в положительной области значений. Значение x1 определяется как решение уравнения, получающегося при выражении и приравнивании y2 из (1) и(2).
Таким образом можно вычистлить  x0 и x1 для значений β от 0 до 90 с шагом 1. В диапазоне от 0 до 32,23 градусов имеем неопределенность, что соответствует невозможности вписать окружность в эллипс, т.е. невозможности попадания мяча в кольцо, в диапазоне более 47 градусов значение x1 больше R, что означает отсутствие сегмента круга, т.е. область попадания полностью соответствует эллипсу: таблица 3.
Таблица 3. Расчет x0 и x1 в зависимости от β
угол подлета β, град    xo    x1
32,23    0,00    0,00
33    38    54
34    56    82
35    68    101
36    77    117
37    83    131
38    89    143
39    93    154
40    96    164
41    99    174
42    101    183
43    103    192
44    104    200
45    104    209
46    105    217
47    105    225
После чего определение площади может быть произведено любым элементарным способом расчета площади плоских фигур. Полученные значения площади S и скорости изменения площади ΔS в зависимости от β указаны в таблице 4. На рисунке 7 зависимости площади и скорости изменения площади от угла подлета представлены в виде графиков. Из таблицы и графиков видно, что до 47 градусов скорость меняется быстрее, чем после. Следовательно, оптимальный  угол, под которым мяч подлетает к кольцу, должен быть около 47 градусов.
Максимальный угол, под которым мяч движется к кольцу, безконечно приближается к 900 и зависит от максимальной высоты, на которую поднимается мяч в полете. В свою очередь высота зависит от скорости, скорость определяется силой броска. Если прикладывать максимальное мышечное усилие при броске, точность падает. Поэтому необходимо  искать оптимальный угол для каждого игрока, исходя из его физических возможностей, роста, положения на площадке. Полученные значения позволяют дать практическую рекомендацию бросать мяч под углом более 45 градусов.
Таблица 4. Площадь области попадания и скорость ее изменения
угол подлета, град    S    ΔS    угол подлета, град    S    ΔS
32,23    45 239    18 674    62    140 427    1 282
33    63 913    9 312    63    141 708    1 239
34    73 225    6 622    64    142 947    1 195
35    79 848    5 313    65    144 142    1 151
36    85 161    4 490    66    145 293    1 107
37    89 651    3 909    67    146 400    1 062
38    93 559    3 470    68    147 462    1 017
39    97 030    3 124    69    148 480    972
40    100 154    2 843    70    149 452    927
41    102 997    2 610    71    150 378    881
42    105 607    2 416    72    151 259    835
43    108 023    2 252    73    152 094    788
44    110 275    2 116    74    152 882    742
45    112 391    2 005    75    153 624    695
46    114 395    1 921    76    154 319    648
47    116 317    1 875    77    154 967    601
48    118 192    1 839    78    155 568    553
49    120 031    1 803    79    156 121    506
50    121 834    1 766    80    156 627    458
51    123 600    1 728    81    157 085    410
52    125 328    1 690    82    157 495    362
53    127 017    1 651    83    157 858    314
54    128 669    1 612    84    158 172    266
55    130 281    1 572    85    158 438    218
56    131 853    1 532    86    158 656    169
57    133 385    1 491    87    158 825    121
58    134 876    1 450    88    158 946    73
59    136 327    1 409    89    159 019    24
60    137 735    1 367    90    159 043    
61    139 102    1 324              

Значение скорости имеет только информационный смысл. Однако, определив время разгона, а, соответственно, и ускорение и, зная массу мяча, можно расчитать силу броска. Сила броска может ассоциироваться с мышечным усилием.
Для определения фактических значений скорости и угла вылета была произведена видеосъемка серии бросков с расстояния 4,6 м (l=4,6), высота от пола составляла 2,35 м (h=0,7).  При обработке результатов видеосъемки были получены средние значения угла и скорости, соответствующие точным броскам : 530 и 7,56 м/с, что больше минимальных расчетных значений 430 и 7,26 м/с и соответствует углу подлета 470.
Вывод. Оптимальный угол вылета баскетбольного мяча при результативном броске зависит от расстояния до кольца и высоты подъема мяча в начальной точке. Угол вылета должен соответствовать углу подлета 47 градусов. Проведенные измерения подтверждают расчеты.
Библиографический список:

1. Коузи Б. Баскетбол : концепции и анализ / Б. Коузи, Ф. Пауэр, сокращенный перевод с англ. Е. Р. Яхонтова. – М. : Физкультура и спорт, 1975 - 270 с.
2. Гершензон Е.М. Механика: Учеб.пособие для студ.высш.пед.учеб.заведений/Е.М. Гершензон, Н.Н. Малов, А.Н.Мансуров.-М.: Издательский центр «Академия», 2001.-384 с.
3. Власов А.А. Применение видеосъемки при обучении броску мяча в баскетболе / А.А. Власов, В.А. Солодянников, статья – 2016 – 7 с.
4. Рознатовская, В.Г. Разработка методики обучения технике броска одной рукой от плеча с места в баскетболе у девочек 9-10 лет. Педагогический проект / Рознатовская В. Г. – Сургут, 2014г. - 17 с

http://sci-article.ru/stat.php?i=1475565695