فيزياء الكاراتيه: كيفية كسر اللوح بالأيدي العارية

تتمتع اليد البشرية بالقدرة على فلق الألواح الخشبية وهدم الكتل الخرسانية (الإسمنتية). قام ثلاثة من علماء الفيزياء بتقصّي السبب وراء عدم تأذّي العظام جرّاء عمل اليد المحطِّم هذا.

تجربة فيزياء الكاراتيه

ضمّت التجربة فريقًا جمع بين الخبرة الفيزيائية وممارسة الكاراتيه، فجاءت الفكرة من تقاطع المختبر مع الفنون القتالية.

أعضاء تجربة الكاراتيه الفيزيائية

مايكل فيلد

فيزيائي · حزام بني

كان يحبّ إيضاح فيزياء الكاراتيه من خلال العروض الحية لصفوفه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

رونالد ماكنير

فيزيائي · حزام أسود من الدرجة الخامسة

كان رائد فضاء المستقبل، وامتلك خبرة متقدمة في الفنون القتالية ضمن الفريق.

ستيفن ويلك

طالب جامعي · عضو في المجموعة

شارك في الفريق الذي تقصّى فيزياء كسر الخشب والخرسانة بضربة اليد.

ضربة الكاراتيه المثالية مجرّدُ تطبيق دقيق لقوانين نيوتن

تبدأ ورقةٌ بحثية كتبها فيلد وماكنير وويلك عام 1979 بالعبارة: "إن صورةَ خبير الكاراتيه وهو يكسر ألواحًا قوية صلبةً من الخشب والخرسانة بيده العارية مألوفةٌ لدينا"، . أراد الثلاثي أن يعرف الإجابةَ عن السؤال: "كيف يمكن ليد عارية أن تهدم كتلة صلبة من الخشب أو الخرسانة دون إصابة؟ ما هي الخدعة في ذلك؟".

ضربة الكاراتيه المثالية ليست أكثرَ من تطبيقٍ دقيق لقوانين نيوتن، إذ كما تُبيِّن الورقة، لا توجد خدعة هنا، فضربة الكاراتيه المثالية مجرّدُ تطبيق دقيق لقوانين نيوتن.

اختبر الفريق الخشب والخرسانة في مكبس هيدروليكي لتحديد مقدار الانحراف والقوة اللازمين لبدء الانشقاق، ثم أخذ في الحسبان فقدان بعض الطاقة عند الاصطدام.

مقارنة متطلبات كسر الخشب والخرسانة

المادة أو الحالة	الانحراف قبل الكسر	القوة اللازمة	الدلالة الفيزيائية
لوح الخشب	نحو سنتيمتر واحد	500 نيوتن	يمكن أن ينحني أكثر قبل أن ينكسر.
الكتل الخرسانية	ملليمتر واحد فقط	2500 إلى 3000 نيوتن	أقل قابلية للانحناء من الخشب، لذلك تتطلب إزاحة صغيرة بقوة أكبر.
القبضة عند الاصطدام	مرتبطة بفقدان الطاقة لحظة الضربة	أكبر من قوة الكسر المقاسة	تحتاج إلى بذل قوة أعلى لتحطيم الكتل فعليًا.

اليد البشرية قادرة على توليد درجة عالية من القوة في فترة زمنية قصيرة

ولحسن الحظ، فإن اليد البشرية قادرة على توليد درجة عالية جدًا من القوة في فترة زمنية قصيرة جدًا. يستمر التأثير الناتج عن الضربة النموذجية حوالي خمسة مللي ثانية فقط. ومن خلال مزيج من النظرية والتجربة، اكتشف الفريق أنه خلال هذه الفترة القصيرة من الزمن، "يمكن ليد الكاراتيكه، أو مُمارِس الكاراتيه، أن يطبِّق قوةً تزيد عن 3000 نيوتن، أي قوةً صافعةً تعادل 675 رطلاً." ويشير النموذجُ المُقدَّم من الفريق إلى أن اليد يجب أن تصل إلى سرعة 6.1 متر في الثانية لتحطيم الخشب، و10.6 متر في الثانية لتحطيم الخرسانة فكتبوا: "تتفق هذه السرعات مع ملاحظتنا التي مفادها أن المبتدئين يمكنهم كسر الخشب وليس الخرسانة"، ثم أضافوا قائلين "سرعة اليد التي تبلغ 6.1 متر في الثانية تقع في نطاق المبتدئين، لكن السرعة التي تبلغ 10.6 متر في الثانية تتطلب التدريب والممارسة."

أكثر من 3000 نيوتن

هذه هي القوة التي يمكن ليد ممارس الكاراتيه تطبيقها خلال نحو خمسة مللي ثانية، بحسب نموذج الفريق وتجربته.

تمكن فيلد وماكنير من إظهار مهاراتهما في الفنون القتالية أثناء الاستقصاء، إذ تمّ تصويرُ كلَيهما وهما يضربان كومة من الألواح الخشبية بمعدل 120 إطارًا في الثانية، وقد سمح لهم ذلك بقياس الإزاحة والسرعة والتسارع لأجزاء مختلفة من القبضة. أظهرتْ هذه الصورُ أن القبضةَ تنضغط وتتشوّه "إلى حد أنها بالكاد تسلك سلوكَ جسم صلب".

دور التشريح لكسر اللوح بالأيدي العارية

ويتبع كلَّ  ذلك سؤالٌ بديهي: "كيف لم تتحطم يد الكاراتيكه بقوة ضربة الكاراتيه؟" وهنا يأتي دور التشريح للإنقاذ: إن العظام البشرية أكثر صلابةً وجساءةً بخمس مرات من الخرسانة وأكثر صعوبةً في الكسر بخمسين مرة (يتطلب تقطيع عظم الفخذ بنجاح من قبل الكاراتكه ما يعادل 25000 نيوتن من القوة). عظام اليد قادرة بسهولة على امتصاص الإجهاد الناجم عن الاصطدام. وبطبيعة الحال، فإن التقنية، وليس القوة، ما يُوفِّر القدرة الحقيقية. تحتاج الضربةُ الناجحة إلى ضرب اللوحة في المنتصف بالضبط. كتب أعضاء الفريق في ورقتهم أنه مع التدريب الكافي، تمثل الكاراتيه الجسمَ البشري في أقصى حالاته، وأضافوا "الدقةُ المطلوبةُ ... لا تجعل من الكاراتيه رياضةً ممتازةً لمنظومةٍ بدنيّةٍ فحسب، بل أيضًا عقليًة".