Удар футбольного мяча по голове: давление как в гидравлическом прессе

В последние годы научное сообщество и футбольные организации все больше обеспокоены долгосрочными рисками для здоровья профессиональных игроков. Крупные эпидемиологические исследования в Великобритании, Швеции и Франции свидетельствуют о повышенном риске нейродегенеративных заболеваний у бывших футболистов. Основным предполагаемым фактором риска называют повторяющиеся удары мячом по голове, которые происходят эпизодически, но многочисленно за карьеру.

Ранее ученые пытались оценить ускорение головы после удара, силу воздействия и движение черепа. Эти данные помогали понять риск сотрясения мозга или переломов, но не объясняли, как именно возникают микроповреждения тканей, ведущие к медленной деградации мозга спустя десятилетия. Для решения этой проблемы потребовался новый подход к измерениям.

Эксперимент с суррогатом головы

Ученые из Университета Лафборо создали специальный суррогат головы для максимально точного моделирования реальных условий. Вместо обычных манекенов для краш-тестов они использовали половинку черепа, напечатанную на 3D-принтере из пластика, идентичного по механическим свойствам человеческой кости. Внутренняя полость была заполнена гелем, который точно имитирует плотность и скорость распространения звука в тканях мозга и спинномозговой жидкости.

В центр этого геля на глубине всего пяти миллиметров от внутренней поверхности черепа исследователи поместили сверхчувствительный гидрофон, способный регистрировать мельчайшие колебания давления в жидкой среде. Пневматическая пушка разгоняла футбольные мячи до скоростей от 13 до 23 метров в секунду, характерных для реальной игры. Всего провели 430 экспериментов с 20 различными мячами — от исторических кожаных реплик до современных синтетических моделей.

Опасные цифры и уязвимые мячи

Результаты, опубликованные в The Journal of Sports Engineering and Technology, показали, что каждый удар мяча генерировал волну давления, достигавшую датчика внутри черепа уже в первые 100 микросекунд. Это в тысячи раз быстрее, чем начинается смещение головы. Вся энергия ударной волны высвобождалась менее чем за половину миллисекунды.

Самое сильное давление, зафиксированное датчиком, достигло 31 килопаскаля. Это значение сопоставимо с давлением внутри мощного гидравлического пресса, используемого в промышленности для формовки металла. Более того, оно превышает предельно допустимые уровни воздействия ударной волны для военнослужащих США на тренировках, которые установлены на отметке 27 килопаскалей.

Воздействие разных мячей оказалось неодинаковым. Разница в пиковом давлении достигала девяти раз, а разница в передаваемой энергии — почти 55 раз. Современные синтетические и клееные мячи создавали значительно более мощные волны, в то время как традиционные кожаные мячи в сухом состоянии демонстрировали самый низкий уровень давления.

Однако у кожаных мячей выявили критическую уязвимость: после пребывания во влажной среде, что моделировало игру под дождем, их масса увеличивалась, а создаваемое давление возрастало в четыре-пять раз. В таких условиях они приближались по опасности к самым жестким синтетическим мячам, что делает их особенно рискованными для использования в непогоду.

Эти данные предоставляют важную информацию для разработки более безопасного спортивного инвентаря и пересмотра тренировочных методик, особенно в детском и юношеском футболе, где последствия повторяющихся ударов могут иметь долгосрочные последствия для когнитивного здоровья игроков.