Was war das?! Quantifizierung der Auswirkungen eines Kampfsportstreiks

Das Messen von Dingen wie dem Streik eines Kampfkünstlers kann eine Herausforderung sein, da es sich um eine komplexe Bewegung handelt und die Umgangssprache ungenaue oder falsche Begriffe verwendet. Diese Frage ist ein Versuch, die anwendbaren Messungen (Quantifizierung) und die richtigen Einheiten hinter diesen Zahlen zu identifizieren.

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Hintergrund:
In einer meiner jüngsten Fragen habe ich nach Sensoren gefragt, mit denen der Schlag eines Kampfkünstlers gemessen werden kann, z. B. ein Tritt oder ein Schlag. Meine Hauptabsicht war es, dem Schüler zu demonstrieren, wie ihre Technik ihren Schlag verbesserte. Die Antworten dort sind großartig und haben definitiv meine Frage beantwortet.

Was zu dieser Frage führte, war, dass ich eine nachfolgende, klarstellende Bemerkung erhielt, in der ich gefragt wurde, ob ich Kraft, Energie oder Kraft messen wollte. Darauf antwortete ich, dass ich einfach etwas Messbares brauchte, um dem Schüler den Unterschied oder die Verbesserung zu zeigen.

Es gab einen nachfolgenden Kommentar ^* , der mich zum Nachdenken brachte:

Nach dem, was Sie hier schreiben, möchte ich hinzufügen, dass Sie weder Kraft noch Druck noch Energie messen möchten.

^* _{Der Kommentar wurde inzwischen gelöscht, aber ich habe diese Frage kurz nach dem Verlassen gestartet.}

Was mich zum Nachdenken über diesen zweiten Kommentar gebracht hat, ist, dass ich zwar viele Referenzen mit Krafteinheiten gesehen habe, es aber auch andere Möglichkeiten gibt, einen Kampfsportstreik zu quantifizieren.

Zum Beispiel:

• Diese Referenz bevorzugt die Anwendung von "Gewalt" und verurteilt die Verwendung von "Druck".
• Diese Referenz verwendet ebenfalls Kraft, verwechselt jedoch ihre Terminologie bei der Beschreibung von Beschleunigung und Geschwindigkeit, sodass ihre Verwendung der Terminologie verdächtig ist.
• Diese Referenz konzentriert sich auf Geschwindigkeit, Impuls und Energie.
• Diese Referenz verwendet für ihre Messungen. Zufälligerweise ist dies die Serie, die mich mit der anderen Frage in meinen ursprünglichen Gedankengang versetzt hat.$lb_F$

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Meine Frage:
Was ist die richtige Terminologie, um die Stärke eines Streiks eines Kampfkünstlers im Vergleich zu einem anderen Streik zu messen (zu quantifizieren)?

Die Messung sollte für eine Vielzahl von Schlägen (Schläge, Tritte, Ellbogen usw.) gelten und für verschiedene Praktiker gelten. Ebenso mache ich mir keine Sorgen darüber, gut gegen schlecht zu definieren. Ich möchte den Streik quantifizieren können. Dies hängt mit der grundlegenden Prozessverbesserung zusammen - wir messen den Prozess, den wir verbessern möchten, und vergleichen die gemessenen Ergebnisse.

Es kommt alles auf die Kraft an.

Wir alle kennen Newtons zweites Gesetz: $\vec{F}=m\vec{a}$¹ . Es heißt, je größer die Kraft ist, die auf ein Objekt ausgeübt wird, desto größer ist seine Beschleunigung (und die Beschleunigung ist eigentlich nur die zweite Ableitung der Position in Bezug auf die Zeit).

Wie misst du Kraft? Eine übliche Methode zur Messung des Gewichts eines Objekts ist die Verwendung einer Federwaage. Sie können entweder ein Objekt auf die Feder legen oder es an eine Feder hängen. Seien Sie jedoch vorsichtig - wenn Sie es an einer Feder aufhängen, beachten Sie, dass die Waage die Spannung direkt misst. Bewegen Sie sich in eine verworrene Richtung und Sie werden seltsame Messwerte haben.

Die Gleichung für die Kraft auf eine Feder lautet $\vec{F}=k\vec{x}$, wo $\vec{x}$ist die Verschiebung ² und$k$ist die Federkonstante der Feder. Wenn Sie also gegen eine Feder drücken, können Sie die ausgeübte Kraft herausfinden.

Sie haben die Dynamik erwähnt. Wenn Sie snarky (aber genau) sein möchten, verwenden Sie impulse - die Änderung des Impulses eines Objekts (oder Systems). Impuls kann geschrieben werden als$\vec{I}$ von $\vec{J}$. Ich habe beide verwendeten Konventionen gesehen. Unabhängig davon ist der Impuls jedoch definiert als

$$\vec{I}=\vec{J}=\vec{F} \Delta t=\Delta \vec{p} =m\vec{v}_f-m\vec{v}_o$$ Eine größere Kraft bedeutet eine größere Impulsänderung. Eine Kraft, die für ein größeres Zeitintervall angewendet wird, bedeutet eine größere Änderung des Impulses. Teilen Sie übrigens alle Begriffe durch die Masse und Sie erhalten die bekannte Kinematikgleichung: $$\vec{a}t=\vec{v}_f-\vec{v}_o$$

Energie ist eine seltsame Wahl. Wenn Sie Ihren Gegner nicht direkt in die Luft schlagen, übertragen Sie chemische Energie in kinetische Energie. Wenn Sie die Energieumwandlung Ihres Körpers ignorieren möchten, sagen Sie einfach, dass die Kraft auf den Körper des Gegners wirkt.

In der Physik der High School (dh in der Algebra) wurde die Arbeit als ³ definiert

$$\vec{W}=\vec{F}s$$ Ihre Faust übt jedoch höchstwahrscheinlich nicht die gleiche Kraft aus, während sie sich bewegt und mit Ihrem Gegner in Kontakt steht. Also müssen wir Kalkül verwenden: $$\vec{W}=- \int_{x_o}^{x_f} \vec{F} dx$$ Achten Sie auf das Minuszeichen.

Die übertragene Energie entspricht also der Arbeit der Kraft.

Kraft ist einfach Energie (hier ist es Arbeit) geteilt durch die Zeit:

$$\vec{P}=\frac{\vec{W}}{t}$$ Die Beziehungen dort sind impliziert. Aber hier ist Energie gleich der geleisteten Arbeit. Und das ist wirklich nur eine Funktion der Kraft,$F$.

Impuls, Energie und Kraft sind also alles Maß für Kraft. Gleiches gilt für Druck. Nehmen Sie die richtigen Derivate und Sie werden sehen:

$$\frac{d\vec{p}}{dt}=\frac{d\vec{W}}{ds}=\frac{d^2\vec{P}}{dt \cdot ds}=A\vec{P}=\vec{F}$$

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Ich bin mir jedoch nicht sicher, wie gut Ihre Frage beantwortet wird. All diese Dinge sind unterschiedliche Einheiten, und was Sie messen, hängt davon ab, wie Sie es messen. Wenn Sie messen, wie schnell sich Ihr Gegner nach dem Schlag (und seiner Masse) bewegt, können Sie den Impuls messen oder arbeiten ⁴ .

Es gibt keinen "richtigen" oder "falschen" Weg, um die Stärke des Streiks zu messen. In all diesen Fällen ist die ausgeübte Kraft umso größer, je größer die Menge ist. Aus praktischen Gründen besteht der einzige Unterschied darin, dass die Kraft auf etwas (Fläche) aufgeteilt, für eine bestimmte Zeitspanne (Impuls), über eine bestimmte Distanz (Arbeit) oder über eine bestimmte Distanz in einer bestimmten Menge aufgebracht wird der Zeit (Macht). Das ist es. Rufen Sie die Menge an$\vec{Q}$und du bekommst $\vec{Q} = \vec{F} \cdot d\text{whatever}$⁵ . Wählen Sie einfach Ihre$d \text{something}$.

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¹ Auch geschrieben als$F=m \frac{d^2x}{dt^2}$
^{2 Die} Verschiebung ist ein Vektor und somit ist die Kraft ein Vektor. Gleiches gilt für die Beschleunigung.
³ Ich ignoriere das$\cos \theta$Ich sollte es der Einfachheit halber wirklich tun.
⁴ $\vec{J}=m\vec{v}_f-m\vec{v}_o$ und $KE=\frac{1}{2}mv^2$. Treffen Sie Ihre Wahl.
⁵ Ja, ja. Kraft geteilt durch$d \text{something}$ im Falle von Macht, aber multipliziert mit $d \text{something else}$, zu.

Das Grundproblem ist, dass Sie nicht definiert haben, was ein "guter" Tritt oder Schlag ist. Lässt der Zweck den Gegner das Gleichgewicht verlieren? Um den maximalen Schmerz zuzufügen? Knochen brechen? Einen bestimmten Körperteil treffen, um ihn zu deaktivieren? Die meisten übereinander gestapelten Holzbretter zerbrechen? Etwas anderes?

Jedes dieser unterschiedlichen Ergebnisse wird verschiedene physikalische Eigenschaften des Streiks unterschiedlich abwägen, um eine einzige Anzahl von Effektivitäten zu erzielen. Wenn Sie zum Beispiel jemanden dazu bringen, das Gleichgewicht zu verlieren oder sogar umzufallen, geht es hauptsächlich um Impulse, die Kraft mal Zeit sind, aber solange die Zeit kurz genug ist. Beim Knochenbrechen geht es mehr um maximale Kraft. Das Verursachen einer Gehirnerschütterung (wie es das Ziel eines Knockouts beim Boxen ist) ist wahrscheinlich eher eine allgemeine Dynamik, sondern auch eine gezielte Zielsetzung.

Kurz gesagt, Ihre Frage kann nicht beantwortet werden, ohne zu definieren, wie "gut" gemessen wird.

Wenn ich damit beauftragt wäre, dies zu messen, würde ich auch wissen wollen, was der Zweck oder das gewünschte Ergebnis jedes Streiks war. Dies liegt daran, dass Sie möglicherweise verschiedene Dinge für verschiedene Arten von Streiks messen möchten.

• Ein Schlag, der Schaden verursachen soll, muss die Kraft auf einen kleinen Bereich konzentrieren, um den Druck an diesem Punkt zu maximieren. Für diese Art von Schlag möchten Sie also den Druck messen.
• Ein Schlag, der eine Kraft auf das Ziel ausüben soll (zum Beispiel um es aufzuziehen) - Sie müssten die Kraft messen, die auf den Aufprallbereich ausgeübt wird.
• Ein Schlag, der das Ziel wegschieben soll - Sie sollten messen, wie viel Kraft auf das Ziel übertragen wurde und wie viel zurück in den Stürmer (kinetische Energie vor und nach dem Schlag).
• Ein Schlag, der den Gegner erschrecken und verwirren soll, kann von der Geschwindigkeit abhängen.

Es mag auch andere Szenarien geben, aber die wichtigsten werden an Kraft und Druck interessiert sein. In der dritten Kugel oben möchten Sie die kinetische Energie beider Parteien vor und nach dem Streik messen. Dies kann mit einer Hochgeschwindigkeitskamera erfolgen.

Die verwirrend widersprüchlichen Referenzen, die Sie zitiert haben, sind möglicherweise überhaupt nicht widersprüchlich. Sie konzentrieren sich möglicherweise nur auf die Messung verschiedener Dinge aufgrund unterschiedlicher Streikarten (oder unterschiedlicher gewünschter Ergebnisse für dieselben Streikarten. In diesem Fall stelle ich mir vor, dass die Technik unterschiedlich sein kann sowie was Sie messen möchten).

Mit einem Schlag oder Tritt bewegen Sie (mehr oder weniger) Ihren ganzen Körper, verbinden eine Hand oder einen Fuß oder so weiter mit Ihrem Ziel, und wenn Ihre Technik gut ist, verformt sich das Ziel weit mehr als Ihr Körper. Ich denke, dieser Gedanke ist entscheidend, da es viele Gelenke und matschige Dinge zwischen dem Teil Ihres Körpers, der das Ziel trifft, und Ihrem Schwerpunkt gibt. Dies bedeutet auch, dass ein Schlag, der viel Energie auf einen leichten Fokushandschuh aufbringen kann, weniger effektiv sein kann, wenn er auf einen schweren Beutel angewendet wird, da im letzteren Fall die matschigen Teile mehr quetschen. Wie wir alle wissen, besteht die Idee beim Schlagen von jemandem darin, nur eine geringe Gesamt- und keine plastische Verformung in unseren matschigen Teilen zu haben, während wir das Ziel plastisch verformen und es irgendwohin bewegen möchten. Manchmal werden wir übereinander betonen.

Auf der Zielseite haben Sie einige Verformungen und Bewegungen. Die genaue Zusammensetzung hängt von der Schlaggeschwindigkeit und dem Gewicht des Ziels ab. Natürlich könnte man argumentieren, dass die Verformung tatsächlich eine Form der Bewegung ist oder umgekehrt. Mit Bewegung meine ich hier, dass sich das Ziel tatsächlich als Ganzes bewegt, und mit Verformung alle „inneren“ Bewegungen des Ziels.

Verformung
Es gibt wahrscheinlich elastische Materialien, die ein quantifizierbares Ergebnis dafür liefern, wie stark Sie sie verformen. Eine ziemlich kostengünstige Möglichkeit, Ihren Schülern zu zeigen, wie viel Fortschritt sie mit ihren Streiks machen (oder nicht), besteht darin, Bretter zu stapeln und zu sehen, wie viele sie brechen können. Ich bin mir nicht sicher, ob Karate für solch eine neuartige Idee bereit ist.
Ein anderer Weg wäre, eine Feder zu haben und ihre elastische Verformung zu messen. Wenn ich ein solches System entwerfen würde, wäre mein erster Start ein robuster Luftballon und ein Drucksensor, die so montiert sind, dass Sie die Druckspitze erhalten. Das Komprimieren von Gasen ist nicht ideal elastisch (etwas Energie geht als Wärme verloren). Sie können jedoch ein Luftkissen auf der Schülerseite Ihres Handschuhs anbringen. Ich denke, dass jede klassische mechanische Feder ein zusätzliches Kissen benötigt, und das würde Unsicherheiten hinzufügen. Ich denke, im Karate gibt es die Praxis, Bretter in den Boden zu stecken und sie zu schlagen. Der Lehrer überprüft, wie viel das Brett "gibt", indem er eine Hand ein paar Zentimeter dahinter hält. Wenn das Brett die Hand nicht erreicht, muss der Schüler noch viel üben.

Bewegung
Sie können ein Pendel bauen und messen, wie weit es schwingt. Oder vielleicht Beschleunigungsmesser und eine komplexe Integration, mit der Sie zu einer Energie gelangen können. Oder Sie können Ihre Feder an einem festen Gegenstand befestigen, indem Sie beispielsweise ein Brett in den Boden stecken. Dann lösen Sie den Bewegungsbegriff aus und können sich auf die Verformung konzentrieren.

Die Live-Streiks eines Kampfkünstlers können zwischen Praktizierenden mithilfe von Kraft, die als Pfund pro Quadratzoll angewendet wird , quantifiziert werden . Die Grundvoraussetzung ist (natürlich), dass Kraft gleich Masse mal Beschleunigung ist. Die Wichtigkeit ist die Paarung mit dem Kontaktbereich , mit dem es geliefert wird - inverses Quadratgesetz . Diese beiden sind das Hauptpaar.

Es gibt natürlich wilde Komplikationen beim Live-Streik - wie transversale Kompressionswellen und [hier fast alles einfügen]. Grundsätzlich kann die Kraftübertragung durch geschulte Beobachtung und die spezielle Untersuchung der Änderung des Impulses, der relativen Position und des Anstellwinkels relativ zur Körpermasse qualitativ beurteilt werden . (Radiale und longitudinale Effekte sollten eher gestikuliert als demonstriert werden).

Ich glaube, dass es einige Faktoren gibt (ohne Verformung und Scherbeanspruchung), die in der Simulation nicht genau wiederholt werden können und eine Quantifizierung / Entmystifizierung erfordern - dies ist jedoch viel schwieriger.

Letztendlich suchen die Praktiker die offensichtliche Quantifizierung eines Streiks: Timing und Genauigkeit . Dabei sollte die Wirksamkeit einer Technik berücksichtigt werden, die sich aus konkurrierenden Bewegungen ergibt. Der Automatisierungsgrad eines ausgebildeten Schülers sollte ebenfalls bewertet werden.