Впервые британские исследователи получили экспериментальные доказательства того, что контакт футбольного мяча с головой вызывает возникновение волн давления внутри черепа. Установлено, что различные типы мячей создают разную нагрузку на мозг, отличающуюся до 55 единиц, и наиболее опасными оказываются традиционные кожаные мячи во время дождя.
В последние годы мировое научное сообщество и футбольные организации выражают обеспокоенность по поводу потенциальных долгосрочных последствий для здоровья профессиональных спортсменов. Обширные эпидемиологические исследования, проведенные в Великобритании, Швеции и Франции, указывают на повышенный риск развития нейродегенеративных заболеваний у бывших футболистов. Ранее эти заболевания чаще связывали с боксерами и игроками в американский футбол.
Повторяющиеся удары мячом по голове, пусть даже эпизодические, но многочисленные в течение спортивной карьеры, рассматриваются как основной фактор риска. Исследователи уже пытались определить ускорение головы при ударе, величину воздействия и траекторию движения черепа. Полученные сведения позволяли оценить вероятность сотрясения мозга или переломов, однако они не давали представления о механизме возникновения микроповреждений тканей, которые со временем приводят к постепенной деградации мозга.
Специалисты из Университета Лафборо, расположенного в Великобритании, провели измерения микромеханических колебаний давления, воспроизводя условия, максимально соответствующие действительности. Вместо стандартных манекенов, которые применяются при краш-тестировании автомобилей, исследователи разработали специальную модель головы. Она состояла из половинки черепа, изготовленной на 3D-принтере из пластика, который по механическим характеристикам соответствовал человеческой кости.
Для имитации тканей мозга и спинномозговой жидкости внутренняя полость черепа была заполнена гелем, характеристики которого – плотность и скорость распространения звука – максимально соответствуют этим тканям. О результатах исследования сообщает издание The Journal of Sports Engineering and Technology.
В гель, расположенный на расстоянии всего пять миллиметров от внутренней поверхности черепа, ученые встроили высокочувствительный датчик – гидрофон. Он предназначен для фиксации незначительных изменений давления в жидкости. Для имитации реальных игровых условий пневматическая установка разгоняла футбольные мячи до скоростей от 13 до 23 метров в секунду.
В ходе исследования было проведено 430 экспериментов, в которых использовались 20 различных мячей. В их числе были как исторические кожаные копии, воспроизводящие мячи середины XX века, так и современные синтетические модели, применяемые на самых престижных соревнованиях.
Анализ выявил, что каждый контакт мяча с головой создавал волну давления, достигавшую датчика, расположенного внутри черепа, менее чем за 100 микросекунд – это в тысячи раз быстрее, чем начинается движение головы. Высвобождение энергии ударной волны происходило менее чем за 0,5 миллисекунды.
Зарегистрированные параметры этих волн демонстрировали значительное разнообразие. Наибольшее давление, зафиксированное датчиком, составило 31 килопаскаль. Этот показатель близок к давлению, возникающему внутри промышленных гидравлических прессов, применяемых для обработки металла. При этом, зафиксированное значение превышает допустимые нормы воздействия ударной волны для американских военнослужащих во время тренировок, которые определены на уровне 27 килопаскалей.
Влияние различных мячей также оказалось неоднородным. Разница в пиковом давлении могла достигать девятикратной величины, а в передаваемой энергии – почти в пятьдесят пять раз. Современные синтетические и клееные мячи генерировали более интенсивные ударные волны, в то время как традиционные кожаные мячи в сухом состоянии отличались наименьшим уровнем давления. В то же время у этих кожаных мячей была выявлена особенность: при воздействии влажной среды, имитирующей игру под дождем, их масса увеличивалась, и создаваемое ими давление возрастало в четыре-пять раз, что приближало их показатели к характеристикам самых жестких синтетических мячей.