Direttore. Comitato scientifico. Vincenza SOFO. Università degli Studi di Messina. Università degli Studi dell Insubria

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1 PHYSICS & LIFE COLLANA DI FISICA APPLICATA ALLA BIOLOGIA ALLA MEDICINA, ALL AMBIENTE, AI BENI CULTURALI ALLE ATTIVITÀ MOTORIE E SPORTIVE E ALLE SCIENZE GASTRONOMICHE 1

2 Direttore Giuseppe VERMIGLIO Università degli Studi di Messina Comitato scientifico Raffaele NOVARIO Università degli Studi dell Insubria Vincenza SOFO Università degli Studi di Messina Caterina SARTORI Istituto Mediterraneo di Bioarchitettura Biopaesaggio Eco design Onlus Karin KNEšAUREK Icahn School of Medicine at Mount Sinai, New York

3 PHYSICS & LIFE COLLANA DI FISICA APPLICATA ALLA BIOLOGIA ALLA MEDICINA, ALL AMBIENTE, AI BENI CULTURALI ALLE ATTIVITÀ MOTORIE E SPORTIVE E ALLE SCIENZE GASTRONOMICHE La ricerca della verità è più preziosa del suo possesso Albert E Physics in every day life è uno dei libri fondanti della Fisica applicata alla Biologia, alla Medicina, all Ambiente e, successivamente, ai Beni culturali, e da poco alle Attività motorie e sportive ed alle Scienze gastronomiche. In altre parole a tutti quei campi in cui quotidianamente ci si confronta inconsciamente con quel che avviene intorno o con quanto ci si trova a fare nella vita per lavoro, per passione o per relax, solitamente senza rendersi conto di come invece, sempre e comunque, la Fisica svolge un ruolo ben preciso ed ha multiformi riscontri. La conoscenza dei quali può rappresentare un importante strumento per meglio operare, od addirittura uno stimolo per indirizzare od approfondire la propria ricerca. Obiettivi questi che la collana si propone di affrontare e stimolare.

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5 Concetto Gianino Antonino Giannì La Fisica del Karate Prefazione di Giuseppina Immé

6 Copyright MMXIV ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133/A B Roma (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: giugno 2014

7 Indice Prefazione. pag. 11 Presentazione del M Masaru Miura. pag. 13 Presentazione degli autori. pag. 15 Ringraziamenti. pag. 17 Cap. 1 Cap. 2 Cap. 3 Cap. 4 Cap. 5 Il Karate-do 1.1 Cosa è il Karate-do. pag Le origini cinesi. Stili interni ed esterni. pag La genesi del Karate-do. pag Il Karate-do oggi. pag Il Dojo e le regole. pag. 29 Grandezze fisiche e vettori 2.1 Il Sistema Internazionale di unità di misura. pag Grandezze fisiche scalari e vettoriali. pag Algebra vettoriale. pag Addizione e sottrazione. pag Prodotto di un vettore per uno scalare. pag Scomposizione di un vettore. pag Analisi vettoriale degli spostamenti nei kata. pag. 40 Analisi cinematica 3.1La velocità media. pag Velocità istantanea e accelerazione. pag Modello teorico, realtà, traiettoria e punto materiale. pag Muoversi con velocità costante o con accelerazione costante. pag Come percepire con il corpo la velocità e l accelerazione. pag Moto accelerato e stile Shotokan. pag. 58 Studio cinematico del movimento 4.1 Diagrammi cinematici del moto uniforme. pag Diagrammi cinematici del moto uniformemente accelerato. pag Analisi della traiettoria di una tecnica di karate tramite pag. 67 una videocamera digitale. 4.4 Analisi cinematica di alcune tecniche di karate con il diagramma orario. pag. 69 Principi della dinamica 5.1 Primo principio della dinamica e la massa. pag La massa del corpo umano. pag Secondo principio della dinamica e definizione di forza. pag. 80 7

8 8 Indice 5.4 Massa e peso. pag Percepire massa e peso con il nostro corpo. pag Il principio di azione e reazione. pag Il principio di azione e reazione e il karate. pag Indicazioni per le tecniche di attacco. pag Indicazione per la difesa. pag. 96 Cap. 6 Cap. 7 Cap. 8 Cap. 9 Cap. 10 Bioelasticità 6.1 Le reazioni vincolari e la legge di Hooke. pag Sforzo e limite di rottura. pag Posture di impatto e tameshiwari. pag Elasticità muscolare. pag. 107 Attrito 7.1 Attrito radente. pag Interpretazione microscopica dell attrito radente. pag Il ruolo dell attrito nel karate. pag Dare un pugno con i piedi. pag. 116 Momento meccanico e leve 8.1 Effetti rotazionali di una forza e momento meccanico. pag Le leve. pag Le leve nel corpo umano. pag Articolazione e muscoli nel karate. pag Applicazioni nell arte marziale. pag. 132 Baricentro 9.1 Tanden e centro di energia vitale. pag Baricentro e centro di massa. pag Il baricentro del corpo umano. pag Determinazione sperimentale del baricentro del corpo umano. pag Movimento, posizione del baricentro e karate. pag. 142 Stabilità, equilibrio e posture 10.1 Equilibrio dei corpi poggiati. pag Tipologie di equilibrio. pag Analisi stabilometrica delle posizioni basilari del karate. pag Posizione Zenkutsu-dachi. pag Posizione Kokutsu-dachi. pag Posizione Kiba-dachi. pag Stabilità e mobilità. pag Altezza delle posizioni e stabilità. pag Gestire la stabilità con la connessione del corpo. pag. 159

9 Indice 9 Cap. 11 Cap. 12 Cap. 13 Cap. 14 Quantità di moto e forza impulsiva 11.1 Forza, impulso e quantità di moto. pag Legge di conservazione della quantità di moto. pag Forza impulsiva. pag Stima della forza di impatto per alcune tecniche di karate. pag. 171 Pressione, soglia di dolore e punti di impatto 12.1 La pressione. pag Soglia di dolore e fachirismo. pag Pressione di impatto e punti di impatto nel karate. pag Effetti della pressione sul corpo umano. pag. 183 Dinamica rotazionale 13.1 Grandezze fisiche angolari. pag Asse di rotazione e stabilità. pag Azioni circolari nel karate. pag. 194 Energia e urti 14.1 Lavoro di una forza. pag Energia cinetica. pag Energia interna e conservazione dell energia. pag Energia assorbita in un urto. pag Distribuzione dell energia fra colpitore e bersaglio e colpo definitivo. pag. 207 Appendice. Urti elastici, anelastici ed energia pag. 211 Conclusioni. Difendersi da chi? pag. 215 Riferimenti iconografici e suggerimenti bibliografici pag. 219

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11 Prefazione Quando ho iniziato l avventura del Piano nazionale Lauree Scientifiche sono rimasta sorpresa dall idea che gli studenti di scuola superiore avevano della Fisica. Nell indagine preliminare finalizzata a capire il motivo che allontanava gli studenti dallo studio della fisica, una risposta ricorrente era che si trattava di una disciplina astratta. Mi è sembrato un paradosso: la fisica, il cui obiettivo primario è comprendere le leggi della natura, è vista come una disciplina astratta? Ho cercato di capire le motivazioni di questa visione distorta che hanno gli studenti ed effettivamente, osservando il modo standard con cui viene affrontato l insegnamento della fisica, non mi sento di dare torto agli studenti. Noi insegnanti di fisica non possiamo negare che il più delle volte, per mettere in evidenza una proprietà della natura, affrontiamo l analisi di situazioni eccessivamente schematizzate parlando genericamente di corpi che scivolano su piani inclinati o di altri dispositivi che si trovano nei laboratori didattici. E assolutamente vero che per enfatizzare una singola proprietà ci limitiamo ad affrontare lo studio di situazioni il più delle volte artificiose, lontane dalla vita di tutti i giorni. Questo approccio, necessario, per mettere in evidenza solo uno degli aspetti della complessa problematica che ci può essere nello studio di un fenomeno, è fondamentale per semplificare l insegnamento ma diviene un grosso limite se non si va oltre, se cioè non mettiamo bene in evidenza che quella proprietà che stiamo trattando la riscontriamo pure nella vita quotidiana, nel fare comune e giornaliero. Tante volte, anche quando abbiamo la possibilità di portare esempi più vicini allo studente, ci facciamo trascinare da esempi consolidati nei manuali, che riportano situazioni lontane dalla realtà dello studente, un classico esempio è lo studio del moto parabolico, in cui si citano proiettili ed esempi di balistica, invece di palloni da calcio o di qualunque altro sport. Purtroppo, nell insegnamento della fisica ci si concentra spesso sul modello interpretativo della realtà, andando a sviscerare tutte le proprietà matematiche di quel modello, perdendo di vista la realtà stessa. Certo, il mondo reale è complesso, e magari una situazione reale fa riferimento a diversi principi e leggi che concorrono alla sua interpretazione, ma questo non può essere una giustificazione. La fisica studia i fenomeni naturali, cerca di comprendere le leggi e i principi 11

12 12 Indice Prefazione che regolano questi fenomeni e quindi il punto di partenza per il suo studio devono essere i fenomeni naturali. Per coinvolgere lo studente nello studio di questa disciplina è fondamentale affrontare la spiegazione razionale di tutti i fenomeni con cui si cimenta giornalmente nella sua vita quotidiana, in questo modo, inevitabilmente, sarà lo studente stesso che si creerà gli stimoli di approfondimento e di apprendimento, sarà naturale per lui chiedersi come deve calciare un pallone per lanciarlo più lontano o per fargli acquisire maggiore velocità. La fisica del karate si è rivelato un modo efficace di affrontare lo studio della meccanica; infatti, il prof. Gianino e il M Giannì, partendo da situazioni reali spiegano come i movimenti del corpo umano siano regolati dalle leggi della fisica e individuano il ruolo delle grandezze fisiche nell ottimizzazione di una tecnica di karate. Negli anni in cui si è sviluppata questa attività, hanno coinvolto gli studenti con misure sperimentali per la verifica di leggi fisiche e per la misura di grandezze fisiche che governano e interessano l arte marziale. Lo studente ha conosciuto la fisica che regola il movimento del suo corpo sperimentandolo direttamente con il suo corpo, che aveva la doppia funzione di oggetto di sperimentazione e di strumento di misura. In pratica, ha toccato con mano la fisica. Il corso rappresenta una fra le migliori attività del Piano nazionale Lauree Scientifiche-Fisica, ottimo esempio di come si può rendere accattivante la Fisica senza trascurare il rigore della trattazione. L attività è svolta in collaborazione fra Dipartimento di Fisica e Astronomia dell Università di Catania, il Liceo Scientifico Statale E. Fermi di Ragusa e il Dojo Karate-do Shotokan di Ragusa e Scicli. Nel libro sono presentate le idee didattiche innovative e sono raccolte le esperienze fatte nei diversi anni di sviluppo del progetto. Questo libro è anche una testimonianza dell impegno e del lavoro svolto dagli autori in questi anni e rappresenta sicuramente una pietra miliare su questo argomento. Catania, 21 febbraio 2014 Prof.ssa Giuseppina Immé Coordinatore Nazionale Piano Lauree Scientifiche - Fisica

13 Presentazione del Maestro Miura Il karate-do, la via della mano nuda, è un arte che si pratica con il fine ultimo di conoscere se stessi. Se ci interrogassimo su chi siamo e ce lo chiedessimo in modo sincero sono sicuro che non troveremmo una risposta completa, la conoscenza di se stessi è una ricerca continua. Questa ricerca continua porta l uomo a vivere l illusione di una evoluzione, di una crescita, con il potenziamento delle sue capacità, come se queste fossero qualcosa che guadagniamo confrontandoci con il mondo esterno. Nel karate-do studiamo tecniche di combattimento, cerchiamo di farle nostre e di affinarle sempre di più, creando un percorso di studio codificato e articolato, illudendoci di aver costruito una struttura di conoscenze. In realtà noi non costruiamo nulla, quello che facciamo è scoprire qualcosa che è già in noi, la nostra più intima realtà. Tante volte pensiamo di avere imparato abilità per istinto, senza avere una piena consapevolezza di come abbiamo fatto per averle imparate, senza renderci conto di avere solo scoperto ciò che era presente di già in noi. L uomo ha bisogno di credere nell illusione della costruzione di un percorso di crescita per scoprire la vera realtà. Anche nel karate-do si procede in questo modo, cercando razionalmente di crescere nella tecnica e nello spirito al fine di accorgersi di avere solo scoperto ciò che già c era. Uno spirito, un cuore ed una mente che si rinnovano ogni giorno, questa è la via del Karate,, queste parole le ripetiamo sempre alla conclusione di ogni allenamento per ricordarci il significato della nostra pratica. Il karate-do quindi non è solo tecnica (waza) ma è anche e principalmente, crescita nello spirito (shin). Ha scritto G. Funakoshi, padre fondatore dello stile Shotokan Dojo nomino karate to omou na, il karate non si pratica solo nel dojo (sede degli allenamenti) e Karate no shugyo wa isssho de aru, il karate si pratica tutta la vita. La via del karate deve andare ben oltre agli allenamenti in palestra, il suo spirito deve animare ogni nostra azione di vita quotidiana per ottenere una reale e non illusoria crescita. Il karate è comunque un arte di combattimento e quindi studia le tecniche di combattimento, cercando di ottimizzare il movimento del corpo per renderle più efficaci. Sotto questo aspetto il libro potrà fornire delle ottime indicazioni a coloro che praticano karate e non solo. Penso che sia utile a tutti quelli che praticano arti marziali, poiché le leggi che 13

14 14 Indice Presentazione del Maestro Miura regolano il movimento del corpo umano non cambiano da uno stile all altro, non possono cambiare se una persona fa un passo di danza o una tecnica di combattimento. In federazione abbiamo organizzato con il prof. Gianino dei seminari di studio della fisica del karate che ho trovato molto interessanti perché ho riscontrato un fondamento scientifico a quello che avevo intuito e desunto dalla pratica. E importante per chi pratica e per chi insegna questa disciplina conoscere le leggi fondamentali della natura che regolano i nostri movimenti. Questa comprensione è un valore aggiunto al nostro percorso nell arte. L evoluzione dello studio del karate-do, come accade per qualsiasi arte, avviene per esperienza diretta: penso all applicazione di una tecnica, percepisco come far muovere il mio corpo per renderla più efficace guidato dall istinto, la metto in pratica per confermare l efficacia e magari per perfezionarla. Se questo processo viene completato con una giustificazione scientifica il quadro si completa e si rafforza. Ringrazio il prof. Gianino e il M Giannì per avere dato vita a questo progetto e chiedo loro di proseguire questo percorso. Milano, 20 febbraio 2014 Shihan Masaru Miura (cintura nera 9 dan) Responsabile per l Italia e Direttore tecnico per l Europa della Federazione Shotokan Karate-D International

15 Presentazione degli autori Il libro è destinato a tutti coloro che sono interessati alla comprensione delle leggi della fisica che regolano il movimento del corpo umano. Pensiamo che questa opera può risultare particolarmente utile sia agli insegnanti di fisica e sia agli istruttori di karate o di qualsiasi altro stile dell arte marziale. Ai primi, come strumento di aggiornamento nella loro pratica didattica, in quanto troveranno spunti per le loro lezioni di fisica. Ai praticanti, potrà aiutarli ad acquisire la consapevolezza della base scientifica delle loro pratiche. Questo libro è il frutto dell esperienza maturata nello svolgimento dei corsi La Fisica del Karate tenuti da noi autori e rivolti a studenti di liceo. L attività, nata nel 2007 con l istituzione del primo corso presso la sezione scientifica dell Istituto di Istruzione Secondaria Superiore Q. Cataudella di Scicli, negli anni si è sviluppata e perfezionata tanto da ricevere diversi riconoscimenti nazionali e internazionali. Gli obiettivi principali che hanno dato vita al corso sono essenzialmente quelli di mettere in evidenza la quotidianità della fisica, affrontando lo studio delle leggi che regolano il movimento del corpo umano e quindi, indirettamente, cercando di stimolare lo studente a vedere il mondo che lo circonda in modo razionale prendendo consapevolezza che la fisica la trova in ogni cosa che vede e che fa. Nei corsi abbiamo provato ad applicare il metodo di apprendimento del karate-do, cioè quello di connettere costantemente mente e corpo per acquisire piena coscienza dei propri movimenti. Questa potenzialità è stata sfruttata per percepire le grandezze della fisica e vivere con il proprio corpo le leggi della fisica. Percepire la propria inerzia, la velocità e l accelerazione o sentire l efficacia di una leva ha sicuramente aiutato lo studente a interiorizzare meglio dei concetti che, in genere, nei corsi scolastici di fisica vengono associati agli oggetti osservati e non direttamente all osservatore. Nelle pagine di questo libro il lettore troverà il resoconto del lavoro svolto fino ad oggi. Lo abbiamo scritto, mettendo nero su bianco i concetti trattati nel corso, i risultati sperimentali delle misure effettuate e i metodi didattici, al fine di divulgare i risultati raggiunti sia nell ambito della didattica della fisica e sia nello studio scientifico delle tecniche di karate. Il libro fondamentalmente è un libro di fisica applicata, a parte il primo capitolo che è dedicato esclusi- 15

16 16 Indice Presentazione degli autori vamente all origine e ai principi del karate-do. Scrivere questo primo capitolo è stata un impresa ardua, poiché molte notizie e informazioni che leggerete si sono tramandate da padre in figlio, da maestro ad allievo, solo in forma orale e sono fortemente impregnate di vicende favolose e leggendarie. L uso della mitologia e della legenda era finalizzato a lanciare messaggi stimolando l inconscio. La favola mitologica inserita nella storia reale nasconde sempre un messaggio da interpretare, la cui comprensione risulterà sempre più chiara man mano che aumenta l esperienza. Nei capitoli successivi verranno ripresi i concetti fondamentali della meccanica cercando il più possibile di limitare l uso delle formule. Non siamo riusciti ad eliminarle completamente perché esse sono parte integrante del linguaggio utilizzato dalla fisica. Una formula è un modo sintetico ed efficace per esprimere concetti lunghi e articolati. Il capitolo riguardante l energia richiedeva una deduzione più minuziosa di alcuni aspetti formali e per evitare di appesantire troppo il capitolo, con deduzioni puramente matematiche, abbiamo rimandato l argomento in un apposita appendice a fine libro. Questa è per noi la prima esperienza di un libro indirizzato ad un pubblico ampio. Non abbiamo la presunzione di essere dei bravi scrittori, quindi ci scusiamo con il lettore se non abbiamo espresso nella forma migliore le nostre idee. Sicuramente si poteva fare meglio. E importante puntualizzare che non tutto è possibile esprimere in modo pieno con le parole, tutte le sensazioni che si provano ascoltando il proprio corpo sono difficili da esprimere in modo compiuto e completo con l uso delle parole. Per questo motivo invitiamo il lettore interessato a provare in prima persona gli esperimenti descritti nel libro concentrando l attenzione nelle sensazioni percepite. Teniamo a precisare che questo libro non è un punto di arrivo, ma è un punto di partenza. Noi speriamo che sia lo spunto per tutti coloro che desiderano approfondire questa tematica e speriamo con il cuore che sia il primo di una serie di pubblicazioni sull argomento, che trovino delle interpretazioni della fisica del karate più efficaci e più perfezionate delle nostre. Ragusa, 15 febbraio 2014 Gli autori

17 Ringraziamenti Realizzare un idea non è facile, occorre tanto impegno e sacrificio e la collaborazione di tante persone. Nel nostro caso i ringraziamenti dovrebbero essere estesi a tutte le persone che hanno interagito con noi sulla fisica del karate, sia per l attuazione dei corsi e sia come semplici discussioni sull argomento. Ogni interazione, dalla più banale a quella più sofisticata, ha dato un contributo all attuazione dell attività e di conseguenza alla realizzazione dei questo libro. I ringraziamenti andrebbero a tutti, ma non è umanamente possibile ricordare con minuzia tutte le persone che hanno interagito in tal senso con noi e ce ne scusiamo a priori se non li citiamo. Desideriamo esprimere il nostro ringraziamento a tutti gli studenti che hanno partecipato a questa attività perché grazie al loro interesse, alle loro stimolanti domande e alla loro partecipazione attiva ai corsi, siamo riusciti ad approfondire dignitosamente l argomento; a tutti i Dirigenti Scolastici e i Collegi Docenti che hanno creduto e appoggiato questo progetto; al Dipartimento di Fisica e Astronomia di Catania e in particolare la prof.ssa Josette Immé che ha ci sostenuto direttamente insieme tutti i suoi collaboratori del Piano Nazionale Lauree Scientifiche. Un ringraziamo particolare, per il loro specifico contributo dato al progetto, spetta al M Masaru Miura responsabile nazionale della SKI-I e a tutti i suoi collaboratori, al sig. Angelo Budello e al prof. Enzo Carbone, rispettivamente assistente tecnico di laboratorio di fisica e docente di educazione fisica dell I.I.S.S. Q. Cataudella di Scicli; al prof. Nuccio Dimartino, docente di matematica e vicario del dirigente scolastico del Liceo Scientifico Statale E. Fermi di Ragusa. Siamo riconoscenti al M Roberto Borellini dell Associazione Sportiva Dilettantistica Ren Bu Kai Japanese Karate Do di Ferrara per averci dato l autorizzazione ad utilizzare le immagini della sua dispensa, che è stata utile anche per la terminologia tecnica. Infine, ringraziamo le nostre famiglie e le nostri mogli per l immensa pazienza avuta e per l importante sostegno a tutte le nostre attività. Gli autori 17

18 18 Indice Presentazione degli autori

19 Capitolo Il karate è uno stile dell arte di combattimento a mani nude, senza armi, nato nell isola di Okinawa e successivamente nazionalizzato in Giappone. Il termine karate-do origina da tre ideogrammi che significano letteralmente la via della mano vuota Il suffisso do proviene dalla filosofia zen, rappresenta la via, il modo per raggiungere l illuminazione. Secondo questo principio possiamo affermare che il karate è una delle tante arti che praticate con dedizione portano alla profonda conoscenza di se stessi. La dottrina del buddismo zen ha influenzato notevolmente le attività umane del Giappone e, non a caso, tutte le arti marziali giapponesi portano il suffisso do, come ad esempio il ju-do (la via della cedevolezza), l aikido (la via dell energia universale), il ken-do (la via della spada) e così via. Tutte le forme di combattimento giapponesi vengono identificate nella loro totalità con il termine bu-do (la via del combattimento). Co- 19

20 20 La Fisica del Karate Capitolo 1 20 loro che praticano una delle tante arti del bu-do sono tenuti a seguire un codice di condotta morale chiamato bushi-do (la via del guerriero). BU (arti marziali) SHI (guerriero) DO (via) I sette principi del bushi-do sono: atteggiamento giusto, eroico coraggio, amore universale e benevolenza verso l umanità, retto comportamento, sincerità totale, onore e gloria, devozione e lealtà. In genere si parla di diverse arti marziali, in realtà sarebbe più corretto parlare di diversi stili di combattimento dell arte marziale senza armi. Infatti, il corpo umano si muove seguendo le leggi della fisica e i vincoli imposti dalla sua struttura e quindi qualsiasi movimento per essere efficace non può che svilupparsi in un unico modo, può cambiare la forma esteriore, lo stile, ma l arte dovrà necessariamente rimanere unica. Anche se la Cina non può essere considerato il luogo dove sono nate le arti marziali, possiamo sicuramente affermare che essa rappresenta il luogo dove hanno trovato maggiore sviluppo e dove si sono integrate strutturalmente con la cultura. Non c è ombra di dubbio che tutti gli stili di combattimento tipici dell estremo oriente hanno avuto influenze cinesi. Anche il karate-do ha stretti collegamenti con la Cina, dato che quando questo stile dell arte è nato, l isola di Okinawa pagava i suoi tributi alla Cina. Per tale motivo dedicheremo questo paragrafo ad una breve presentazione dei principali stili dell arte marziale cinese che hanno influenzato il karate-do.