Измерение силы удара
Заканчивается шестой год третьего тысячелетия, очередные поколения спортсменов уходят в историю, а проблема измерения силы удара остается нерешенной. В настоящее время в мире существует множество различных устройств, от дешевых и простых до дорогих и технически сложных, позволяющих измерять силу удара в боевых единоборствах. Причем у всех производителей результаты измерений, как правило, существенно отличаются, хотя все они претендуют на корректность измерений. Любители, поклонники и спортсмены продолжают спорить «у кого сильнее удар», не доверяют результатам никаких силомеров (не без оснований) и многие уже приходят к выводу, что подобные измерения вообще не возможны.

  Почему же такое происходит?
  Самые распространенные датчики, используемые для измерения силы удара - это тензодатчики, пьезорезистивные и пьезоэлектрические датчики силы. Все они обладают высокой точностью и активно используются для измерения силы ударов в промышленности и на производстве, так как для этих целей и были разработаны.
  Измеряя силу удара с помощью этих датчиков, мы, в конечном счете, измеряем силу, возникающую при ударе, и пытаемся ее интерпретировать как искомую силу удара, а она по законам физики определяется упругими свойствами мишени и ударной конечности, а также их размерами, формой и относительной скоростью движения. Калибровка подобных измерителей возможна только для тел, имеющих одинаковые свойства, размеры и форму, что и делает возможным их применение в промышленности. В спорте же калиброванных ударных конечностей и калиброванных по силе ударов не существует. Таким образом, даже рассматривая удар как столкновение двух тел (ударной конечности и мишени) обладающих определенными свойствами, формой и массой, мы не в состоянии провести однозначную калибровку. Удар же, гораздо более сложен и продолжителен, чем простое столкновение. Поэтому, имея только форму ударного импульса и не имея полноценной калибровки, невозможно получить корректные результаты при измерении силы и энергии удара с помощью тензодатчиков, пьезорезистивных и пьезоэлектрических датчиков силы и давления.
  В аттракционах часто используются пружинные конструкции. Эти конструкции подходят только для измерения статических сил, в крайнем случае, толчков так, как при ударе по такому измерителю возникает противоположная упругая сила (пропорционально величине сжатия пружины), которая кардинально меняет биомеханику удара. При резком ударе спортсмен может легко получить травму.
  По тем же причинам не подходят датчики, использующие для измерения силы давление жидкости или газа. Биомеханика удара здесь нарушена из-за возникающей при ударе упругой выталкивающей силы. Калибровка также невозможна по тем же причинам.
  Таким образом, недостатком известных решений является недостоверность получаемых данных, так как вместо силы удара, измеряются силы, возникающие при ударе, а они по законам физики определяются не только биомеханикой удара, как нам бы хотелось, но и упругими свойствами мишени и ударной конечности, а также их размерами и формами.
  Хочу также подчеркнуть, что в абсолютном большинстве известных случаев конструкции измерителей сильно меняют биомеханику удара, что недопустимо, так как это негативно влияет на постановку удара спортсмена. Но, даже выбрав в качестве мишени некую идеальную мишень, мы не решаем всех проблем, так как придется еще «калибровать» конечности всех спортсменов, что невозможно. И наоборот, представив, что все конечности одинаковы, мы видим, что сила удара будет зависеть от жесткости и тяжести мишени. Даже теоретически сила удара человека по свободно подвешенной боксерской груше весом 8кг не может превысить 400кгс. Если же ударить металлическим кастетом по подвешенному металлическому шару того же веса, легко получим и 4000кгс. Отсюда вывод: Погоня за рекордными по силе ударами приведет лишь к конструкциям силомеров с жесткими и тяжелыми мишенями, проверяющими ваши кости на прочность и победителем всегда будет специалист по разбиванию камней. Подведем итог:

Следует признать, что идея мерить силу удара и принимать этот параметр как основную характеристику удара была изначально ошибочна и в качестве основного параметра, характеризующего силу удара, следует выбрать энергию удара. В боевых единоборствах главная задача и состоит в том, чтобы при ударе передать мишени максимум энергии, это и определяет эффективность удара. Думаю, что боксеры нас поддержат. Чтобы результаты измерений были вполне однозначны, в качестве измеряемой энергии удара выбираем кинетическую энергию мишени после удара. Мишень конечно должна обладать физическими свойствами (массой и упругостью), не нарушающими биомеханику конкретного вида удара, и свободно перемещаться в направлении нанесения ударов. Для боксеров, например, можно взять боксерские груши именитых производителей, что позволит, во-первых, исключить проблему с биомеханикой, во-вторых, любой изготовитель будет абсолютно уверен в показаниях своего прибора, тем более что при правильно выбранной схеме калибровка вообще не требуется.
  Предлагаю также ввести два дополнительных параметра, которые не только характеризуют силу удара, но еще и дают возможность оценить качество удара, правильность его нанесения.
  В качестве таких двух параметров предлагаю выбрать максимальное значение силы, зарегистрированное за время удара (соударения) и само время удара (соударения).
  Дополнительные параметры, которые хоть и сильно зависят от физических свойств, размеров и формы мишени и ударной конечности, при идентичных условиях измерений, то есть при одинаковой весовой категории спортсменов, при том же виде удара и той же мишени смогут характеризовать такие качественные характеристики удара как резкость, и мощность. Например, при одинаковой энергии удара более резким и мощным естественно будет удар, имеющий большую максимальную силу и меньшее время соударения.
  Выбрав в качестве основного параметра энергию удара, мы практически исключаем зависимость результата измерений от свойств, размеров и формы ударной конечности. Точнее эта зависимость на порядок, на два становится менее выраженной.
  В физическом плане эта зависимость объясняется тем, что часть энергии удара идет на деформацию мишени, а потери кинетической энергии при упругом ударе двух тел определяются коэффициентом восстановления, который в свою очередь как раз тоже зависит от упругих свойств соударяющихся тел, от их формы и массы. Но энергия деформации относительно энергии удара незначительна. Конечно, погрешность измерения слабых ударов будет велика, но они никого не интересуют, так как считаются неудачными. Как видим, точность измерений легко повысить, выбрав в качестве мишени каучуковый приемник удара, имеющий коэффициент восстановления близкий к единице, но это актуально больше для слабых ударов, а для сильных главное не нарушать биомеханику.
  Могу предложить три, на мой взгляд, заслуживающих внимания способа определения энергии удара.
  Простейший способ измерения энергии удара никакой техники вообще не требует. Достаточно знать школьный курс о кинетической и потенциальной энергии, а также ее сохранении. Для измерения энергии удара мишень известной массы «m» крепится на достаточно длинном подвесе (для точности) и замеряется величина отклонения мишени после удара по вертикали «h».Энергия удара будет равна mgh (g-ускорение свободного падения). Этим способом можно было бы измерять энергию ударов еще до нашей эры, причем с достаточно высокой точностью, например энергию удара олимпийского чемпиона по кулачному бою математика Пифагора, жившего более 2500 лет назад, не говоря уж о чемпионах по боксу прошлого и позапрошлого века.
  Кстати, этот достаточно эффектный, наглядный и точный способ, можно применить и сейчас для установления рекордов Гиннеса, которые, как правило, фиксируются в большом зале при широкой аудитории.
  Для конца прошлого века подошел бы способ измеряющий скорость мишени после удара с помощью устройства использующего эффект Доплера при распространении ультразвука. При правильно выбранной схеме калибровка здесь также не требуется (Регистрационный номер патента 2006130981).
  На сегодняшний день самый лучший вариант – использование для измерения энергии и силы ударов, прецизионных двухосных или трехосных интегральных акселерометров (Регистрационный номер патента 2006130906).
  Достоинство этого способа заключается в том, что удары по мишени можно наносить не в определенном, а в любом направлении, кроме ударов сверху. Хотя, используя другую конструкцию можно измерять энергию и таких ударов.
  Кстати сила удара (как дополнительный параметр) в отличие от известных мне конструкций этим способом измеряется реально однозначно и очень точно (и не в каких-то там условных единицах, а в кг-с или ньютонах). Но хочу еще раз подчеркнуть – не придавайте этому параметру большого значения.
  Этот способ позволяет не терять точности измерений даже в случае нанесения быстрой серии ударов, когда мишень раскачивается и не успевает принять исходное положение. Это позволяет суммировать энергию ударов с высокой точностью и правильно оценить физическую форму спортсменов. Например, в режиме определения физической формы спортсмена имитируется боксерский поединок с 3 или 12 раундами по три минуты с одноминутным перерывом. Суммируя энергию ударов за время поединка можно легко оценить физическую форму спортсмена.
  В качестве акселерометров могут быть использованы интегральные акселерометры с цифровым выходом, высокая линейность и чувствительность которых позволит обойтись без дополнительной калибровки. В случае выбора акселерометров с аналоговым выходом калибровка также очень проста, так как в процессе измерений постоянно вычисляется g - ускорение свободного падения и появляется возможность организовать само калибрующуюся систему.
  Таким образом, предлагаемый способ решает проблему достоверности измерений силы удара в спортивных единоборствах. Заявленное решение кроме точности обеспечивает технологичность измерений и решает вопрос об оценке физической формы спортсмена.
  Применяя этот способ, мы и через тысячу лет будем знать «у кого был самый сильный удар», а не спорить об этом.