Удар футбольного мяча по голове создал волны давления, сравнимые с гидравлическим прессом

В последние годы мировое научное сообщество и футбольные организации обеспокоены долгосрочными рисками для здоровья профессиональных игроков. Крупные эпидемиологические исследования, проведенные в Великобритании, Швеции и Франции, свидетельствуют, что у бывших профессиональных футболистов повышен риск развития нейродегенеративных заболеваний. Такие патологии ранее ассоциировалась преимущественно с боксерами и американскими футболистами.

Основным предполагаемым фактором риска называют повторяющиеся удары мячом по голове — эпизодические, но многочисленные за карьеру. Ученые уже пытались оценить ускорение головы после удара, силу воздействия и то, как движется череп. Эти данные позволяли понять риск сотрясения мозга или переломов, но не объясняли, как именно возникают микроповреждения тканей, ведущие к медленной деградации мозга спустя десятилетия.

Ученые из Университета Лафборо (Великобритания) измерили микромеханические волны давления в условиях, максимально приближенных к реальным. Вместо использования обычных манекенов, которые предназначены для краш-тестов автомобилей, авторы научной работы создали специальный суррогат головы. Он представлял собой половинку черепа, напечатанную на 3D-принтере из пластика, по механическим свойствам идентичного человеческой кости.

Внутренняя полость этого черепа была заполнена специальным гелем, который по плотности и скорости распространения звука точно имитирует ткани мозга и спинномозговую жидкость. Результаты исследования опубликовало издание The Journal of Sports Engineering and Technology.

В центр этого геля на глубине всего пяти миллиметров от внутренней поверхности черепа исследователи поместили сверхчувствительный датчик — гидрофон. Этот датчик способен регистрировать мельчайшие колебания давления в жидкой среде. Пневматическая пушка разгоняла футбольные мячи до скоростей, характерных для реальной игры: от 13 метров в секунду до 23 метров в секунду.

Всего провели 430 экспериментов с 20 различными мячами — от исторических кожаных реплик, имитирующих мячи середины XX века, до современных синтетических моделей, используемых на крупнейших турнирах.

Результаты показали, что каждый удар мяча генерировал волну давления, которая достигала 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.

Характеристики этих волн оказались разнообразными. Самое сильное давление, зафиксированное датчиком, достигло 31 килопаскаля. Это давление сопоставимо с тем, которое создается внутри мощного гидравлического пресса, используемого в промышленности для формовки металла. Более того, это значение превышает предельно допустимые уровни воздействия ударной волны для военнослужащих США на тренировках, которые установлены на отметке 27 килопаскалей.

Не одинаковым оказалось и воздействие разных мячей. Разница в пиковом давлении достигала девяти раз, а разница в передаваемой энергии — почти 55 раз. Современные синтетические мячи 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 этих же кожаных мячей выявили уязвимость: после пребывания во влажной среде, что моделировало игру под дождем, их масса увеличивалась, а создаваемое ими давление возрастало в четыре-пять раз, приближаясь к показателям самых жестких синтетических мячей.