The Physics of Karate_Fisika Karate

APPENDIX A
102 PHYSICS 2204 CURRICULUM GUIDE
Outcomes:
1. Analyze natural and technological systems to interpret and explain their structure and dynamics
(116-7).
2. Describe the functioning of a natural technology based on principles of momentum (116-5).
3. Apply Newton’s Laws of motion to explain the interaction of forces between two objects (325-8).
4. Apply quantitatively the law of conservation of momentum to one-dimensional collisions and
explosions (326-3).
5. Interpret patterns and trends in data, and infer or calculate linear and nonlinear relationships among
variables (214-5).
6. Compile and display evidence and information, by hand or computer, in a variety of formats,
including diagrams, flow charts, tables, graphs, and scatter plots (214-3).
7. Use appropriate language and conventions when describing events related to momentum and energy
(114-9).
The Physics of Karate
Introduction
What kind of person would intentionally bring their
hand or foot crashing down onto a slab of wood or
concrete? A daredevil? A Hollywood stuntperson?
As it turns out, that kind of person is simply
someone who understands the physics of karate -
someone like you!
Karate means "open or empty hand", and began as a
form of weaponless combat in 17th century Japan.
In recent years it has become popular in our culture,
as a form of fitness, self-defense and self-expression.
Karate participants - called Karateka - often break
concrete or wooden boards as a demonstration of the
strength developed through training. Surprisingly
there are no tricks involved in accomplishing such a
feat. What is involved is a physics-based knowledge
of how to do it properly. "Few things offer more
visceral proof of
the power of
physics than a
karate chop.
Punch a brick
with your bare
hand, untutored
in the martial
arts, and you may break a finger. Punch it with the
proper force, momentum and positioning and you'll
break the brick instead" (Rist, 2000).
Theory
Force, Speed and Area
Karateka agree that the secret to karate lies in the
force, speed and focus of the strike. The more
quickly a board is hit, the harder the strike.
Maximum hand velocity is actually achieved when
the arm reaches 75-80% of extension. Since the
hand cannot move forward a distance greater than
the length of the arm, it must have a velocity of 0 at
full arm's extension. To get the hardest hit, contact
must be made with the object before this slowdown
begins. Thus a good karate chop has no
follow-through (as would a good tennis or golf
swing). The hand is typically in contact with the
object for fewer than five milliseconds.
How fast can a karate punch actually move?
Experiments done with a strobe light on karateka
throwing punches found that beginners can throw a
punch at about 6.1 m/s (20 feet/sec), while black
APPENDIX A
PHYSICS 2204 CURRICULUM GUIDE 103
belts could chop at 14 m/s (46 feet/sec). At the
latter speed a black belt can deliver about 2800 N to
the object being hit. (Splitting a typical concrete
slab requires only about 1900 N). A concrete slab
could probably support a force of 2800 N if it were
not concentrated into such a small area. Minimizing
the striking surface of the hand, and therefore the
area of the target being hit, maximizes the amount of
force and energy transferred per unit area. To
understand why speed and focus are so important,
the principles of momentum and impulse must also
be considered.
Momentum and Impulse
Momentum ( ) is defined as an object's mass x
velocity. Change in momentum, ( ) is defined
as impulse (symbol ), and is given by force x J
􀁊􀁇
time. According to Newton's third law momentum
is a conserved quantity. The third law states that for
every action force on an object in a given time, there
is an equal and opposite reaction force by that object
for the same amount of time. Thus, any
momentum lost by the first object is exactly gained
by the second object. Momentum is transferred
from one object to the other. Using,
=
􀁊􀁇
J p Ft ∆ =
􀁊􀁇 􀁊􀁇
we can see that if remains fixed, then force and
time are inversely proportional. This means that if
force increases, than time decreases and vice versa. It
follows that a fixed amount of momentum can then
be transferred with a small force for a long time or
with a large force for a short time.
The quicker the karateka can make the chop, the
larger the force transferred to the target. According
to Newton's second law ( ) the part of the =
􀁊􀁇 􀁇
F ma
object struck with this force will begin to accelerate
or oscillate. Breakage occurs if the small area hit
accelerates enough relative to the stationary ends of
the object. The object will experience strain and
begin to crack from the bottom up.
What about the strain experienced by the hand or
foot? Fortunately bone can withstand about forty
times more force than concrete. Hands and feet can
withstand even more than that due to the skin,
muscles and ligaments which absorb much of the
impact. Despite possessing these "natural shock
absorbers", breaking wood, concrete or bricks should
not be attempted without proper training. Such
training would include toughening up the hand and
knowing exactly how and where to hit the object
with maximum speed. Over time the knife edge of
the hand, called the "shuto", develops a callous
which acts to absorb the collision force. As well,
experts know to only hit things that can actually be
broken. Sihak Henry Cho, a grand master at the
Karate Institute in Manhattan sums it up nicely:
"Being good at karate is a lot like being good at
telling a joke. It's not what you break; it's how you
break it" (Rist, 2000).
Questions
1. Why is it important to hit a concrete slab
quickly when attempting to break it?
2. Karate black belts often advise beginners before
their first attempt at breaking, not to try to
break the board, but to aim for the floor
underneath the board. How would this advice
help?
3. Research: Karate practitioners usually yell
"Kiai" when striking an object. Research the
meaning of this term?
APPENDIX A
104 PHYSICS 2204 CURRICULUM GUIDE
Activities
Activity 1: How Much Weight does it take to break a board?
Materials: • masses (2 kg) • supports (bricks)
• board • meter stick
Procedure:
Design a procedure to see how much weight must be placed on the board in order to get the board to
break. As the weight is added to the board, measure how far the board bends.
Analysis:
1. Graph applied force (y-axis) versus bending distance (x-axis).
2. Find the slope of your graph. Describe how the applied force is related to the bending distance.
3. Recall that work can be done to a system to change the energy of the system. The work done by a
force F can be determined by finding the area under the curve of a force versus distance graph.
From your data determine the work that was done to break the board.
References
Rist, Curtis. (2000). The physics of karate:
Breaking boards. Discover, 21.
Chananie, Jon. (1999). The physics of karate
strikes. Journal of How Things Work, 1, 1-4.
Karate. Available:
http://www.pbs.org/ktca/newtons/12/karate.htm.
Nowikow, I., & Heimbecker, B. (2001). Physics:
Concepts and connections. Toronto: Irwin
Publishing Ltd.
Physics 142. Karate chop. Available:
http://www-class.un1.edu/phys142/Labs/L50/L50_
Karate_chop_-_142_w_02.htm.
Pushy Air. Available:
http://www.schools.ash.org.au/paa/downloads/actbo
ok.pdf
Wilk, S.R., et al. (1983). The physics of karate.
American Journal of Physics, 51, 783-790.
APPENDIX A
PHYSICS 2204 CURRICULUM GUIDE 105
Activities
Activity 2: Pretzel
Purpose: To use pretzel sticks to better understand what causes materials to break.
Materials:
• pretzel sticks of varying thickness • paper cup
• pieces of uncooked spaghetti • empty plastic film container
• rolls of 50 pennies each, plus 50 loose pennies • scissors or craft knife
• thick string or wire about 6 cm long • tweezers
Procedure:
1. Build a pretzel strength-testing machine. Start by cutting a large hole in the bottom of the paper cup.
Set the cup on the table, bottom side up. Rest a pretzel stick across the center of the cup.
2. Next create a weight bucket to hang on the pretzel. Take the empty plastic film container and make
two holes about 1 cm from the top rim and directly across from each other. Thread the string or wire
through the holes and tie the end at each hole. The bucket should hang on the pretzel without
touching the table.
3. Begin testing. With the bucket hanging on the pretzel stick begin adding pennies. See how many
pennies the pretzel can hold without breaking. Find the average number of pennies one type of pretzel
stick can hold.
4. Gaining momentum: Test to see if it makes a difference if you drop the pennies in the bucket or you
place them in gently using the tweezers.
5. Breaking point: Test to see if the weakest point of the pretzel is really at the center.
6. Length and width test: Try pretzels of various lengths and widths to see what size and length hold the
most and least pennies.
7. Compare with other materials: Do you think a pretzel or an uncooked piece of spaghetti is stronger
when bent? Try testing uncooked spaghetti to see how it holds up in comparison to the pretzel sticks.
Questions:
1. Look at the ends of a broken pretzel with a magnifying glass. Does its structure tell you anything about
its bending strength?
2. Can you figure out a way to spread weight out across the entire length of the pretzel? Can it hold more
weight when the weight is distributed over a larger area?
(Activity designed by Jane Copes, Science Museum of Minnesota and adapted from Newton’s Apple
Teacher’s Guide: Karate)
APPENDIX A
106 PHYSICS 2204 CURRICULUM GUIDE
Activities
Activity 3: (taken from Pushing Air located at
http://www.schools.ash.org.au/paa/downloads/actbook.pdf)
Purpose: To relate a successful karate chop to air pressure.
Materials:
• sheet of newspaper
• ruler
Procedure:
1. place a ruler or flat stick on a bench top with about a quarter of its length overhanging.
2. Give the overhanging part of the ruler a quick karate chop from above.
3. Repeat the above steps with a piece of newspaper covering the nonoverhanging part of the ruler.
Questions:
1. Why do you think the ruler snaps during the second part of the experiment?
Explanation:
Air is all around us pushing on everything. It pushes on our skin and on the bench top. The ruler has a
small surface area, so the air pushing down on it is not enough to hold the ruler in place when you hit it.
The newspaper has a large surface area. The force of the air acts over the whole area. The result is that air
holds down the paper which holds the ruler in place. Unable to lift quickly enough when the overhanging
part of the ruler is struck, the ruler has no option but to snap.


LAMPIRAN A
102 FISIKA KURIKULUM 2204 GUIDE
Hasil:
1. Menganalisis sistem alam dan teknologi untuk menafsirkan dan menjelaskan struktur dan dinamika
(116-7).
2. Jelaskan fungsi dari teknologi alam berdasarkan prinsip momentum (116-5).
3. Terapkan Hukum gerak Newton untuk menjelaskan interaksi gaya antara dua benda (325-8).
4. Terapkan kuantitatif hukum kekekalan momentum untuk satu dimensi tabrakan dan
ledakan (326-3).
5. Menafsirkan pola dan tren dalam data, dan menyimpulkan atau menghitung hubungan linier dan nonlinier antara
variabel (214-5).
6. Kompilasi dan menampilkan bukti dan informasi, dengan tangan atau komputer, dalam berbagai format,
termasuk diagram, diagram alir, tabel, grafik, dan scatter plot (214-3).
7. Gunakan bahasa yang sesuai dan konvensi saat menjelaskan kegiatan yang terkait dengan momentum dan energi
(114-9).
Fisika Karate
Pengenalan
Orang macam apa sengaja akan membawa mereka
tangan atau kaki runtuh ke sebuah lempengan kayu atau
beton? Seorang pemberani? Sebuah stuntperson Hollywood?
Ternyata, orang semacam itu hanya
seseorang yang mengerti fisika dari karate -
orang seperti Anda!
Karate berarti "tangan terbuka atau kosong", dan mulai sebagai
bentuk tempur tak bersenjata di Jepang abad ke 17.
Dalam beberapa tahun terakhir telah menjadi populer dalam budaya kita,
sebagai bentuk kebugaran, pertahanan diri dan ekspresi diri.
Karate peserta - yang disebut Karateka - sering istirahat
beton atau kayu papan sebagai demonstrasi dari
kekuatan yang dikembangkan melalui pelatihan. Heran
tidak ada trik yang terlibat dalam menyelesaikan suatu
feat. Apa yang terlibat adalah pengetahuan fisika berbasis
tentang bagaimana melakukannya dengan benar. "Beberapa hal menawarkan lebih
visceral bukti
kekuatan
fisika dari
karate memotong.
Memukul batu bata
dengan telanjang
tangan, tak terdidik
dalam bela diri
seni, dan Anda bisa pecah jari. Pukulan itu dengan
tepat kekuatan, momentum dan posisi dan Anda akan
memecahkan bata, bukan "(Rist, 2000).
Teori
Force, Kecepatan dan Luas
Karateka setuju bahwa rahasia karate terletak pada
kekuatan, kecepatan dan fokus dari pemogokan. Semakin
cepat papan terkena, semakin keras pemogokan.
Kecepatan tangan Maksimum sebenarnya dicapai ketika
lengan mencapai 75-80% dari ekstensi. Karena
tangan tidak bisa bergerak maju jauh lebih besar dari
panjang lengan, ia harus memiliki kecepatan 0 pada
lengan penuh ekstensi. Untuk mendapatkan yang paling terpukul, hubungi
harus dilakukan dengan objek sebelum perlambatan ini
dimulai. Jadi chop karate yang baik tidak memiliki
tindak lanjut (seperti yang akan tenis atau golf yang baik
ayunan). Tangan ini biasanya berhubungan dengan
objek untuk kurang dari lima milidetik.
Seberapa cepat dapat pukulan karate benar-benar pindah?
Percobaan dilakukan dengan lampu sorot pada karateka
pukulan melempar menemukan bahwa pemula dapat melempar
pukulan pada sekitar 6,1 m / s (20 kaki / detik), sedangkan hitam
LAMPIRAN A
FISIKA KURIKULUM 2204 GUIDE 103
ikat pinggang bisa memotong sebesar 14 m / s (46 kaki / detik). Pada
kecepatan kedua sabuk hitam dapat memberikan sekitar 2.800 N untuk
objek yang sedang memukul. (Memisahkan beton yang khas
slab hanya membutuhkan sekitar 1900 N). Sebuah pelat beton
mungkin bisa mendukung gaya 2800 N-olah itu
tidak terkonsentrasi menjadi seperti daerah kecil. Meminimalkan
permukaan mencolok tangan, dan oleh karena itu
daerah dari target dipukul, memaksimalkan jumlah
kekuatan dan energi yang ditransfer per satuan luas. Untuk
memahami mengapa kecepatan dan fokus sangat penting,
prinsip-prinsip momentum dan impuls juga harus
dipertimbangkan.
Momentum dan Impuls
Momentum () didefinisikan sebagai x massa obyek
kecepatan. Perubahan momentum, () didefinisikan
sebagai impuls (simbol), dan ditentukan oleh gaya x J
􀁊 􀁇
waktu. Menurut momentum hukum ketiga Newton
adalah kuantitas kekal. Undang-undang menyatakan bahwa untuk ketiga
setiap angkatan aksi pada objek dalam waktu tertentu, ada
adalah gaya reaksi yang sama dan berlawanan dengan objek yang
untuk jumlah waktu yang sama. Dengan demikian, setiap
momentum hilang oleh objek pertama persis diperoleh
oleh objek kedua. Momentum ditransfer
dari satu objek ke lainnya. Menggunakan,
=
􀁊 􀁇
J Ft Δ p =
􀁊 􀁇 􀁊 􀁇
kita dapat melihat bahwa jika masih tetap, maka memaksa dan
waktu adalah berbanding terbalik. Ini berarti bahwa jika
kekuatan meningkat, menurun dari waktu dan sebaliknya. Itu
berikut bahwa jumlah tetap momentum kemudian dapat
ditransfer dengan gaya yang kecil untuk waktu yang lama atau
dengan kekuatan besar untuk waktu yang singkat.
Semakin cepat karateka dapat membuat cap tersebut,
lebih besar gaya ditransfer ke target. Menurut
hukum kedua Newton () bagian dari =
􀁊 􀁇 􀁇
F ma
objek dipukul dengan gaya ini akan mulai mempercepat
atau berosilasi. Kerusakan terjadi jika daerah kecil memukul
mempercepat cukup relatif terhadap ujung stasioner
objek. Objek akan mengalami ketegangan dan
mulai retak dari bawah.
Bagaimana dengan ketegangan yang dialami oleh tangan atau
kaki? Untungnya tulang dapat menahan sekitar empat puluh
kali lebih kekuatan dari beton. Tangan dan kaki dapat
menahan bahkan lebih dari itu karena kulit,
otot dan ligamen yang menyerap banyak
dampak. Meskipun memiliki ini kejutan "alami
peredam ", memecah kayu, beton atau batu bata harus
tidak dicoba tanpa pelatihan yang tepat. Demikian
pelatihan akan mencakup ketangguhan tangan dan
tahu persis bagaimana dan di mana untuk memukul objek
dengan kecepatan maksimum. Seiring waktu ujung pisau
sisi, yang disebut "Shuto", mengembangkan berperasaan
yang bertindak untuk menyerap kekuatan tabrakan. Selain itu,
ahli tahu untuk hanya memukul hal yang sebenarnya dapat
rusak. Sihak Henry Cho, seorang guru besar di
Karate Institute di Manhattan sums it up baik:
"Menjadi baik pada karate adalah banyak seperti berada baik di
menceritakan lelucon. Bukan apa yang Anda istirahat, melainkan bagaimana Anda
istirahat itu "(Rist, 2000).
Pertanyaan
1. Mengapa penting untuk memukul pelat beton
cepat saat mencoba untuk mematahkannya?
2. Karate sabuk hitam sering menyarankan pemula sebelum
mereka pertama upaya melanggar, tidak mencoba untuk
mematahkan papan, tetapi untuk tujuan untuk lantai
bawah papan. Bagaimana akan nasihat ini
membantu?
3. Penelitian: praktisi Karate biasanya berteriak
"Kiai" ketika menyerang objek. Penelitian
arti istilah ini?
LAMPIRAN A
104 FISIKA KURIKULUM 2204 GUIDE
Kegiatan
Kegiatan 1: Berat Berapa waktu yang diperlukan untuk memecahkan sebuah papan?
Bahan: • massa (2 kg) • mendukung (batu bata)
• dewan • meteran tongkat
Prosedur:
Desain prosedur untuk melihat berapa banyak berat badan harus ditempatkan di papan tulis untuk mendapatkan papan untuk
istirahat. Saat bobot ditambahkan ke papan, mengukur seberapa jauh tikungan papan.
Analisis:
1. Grafik diterapkan gaya (sumbu y) versus jarak lentur (x-axis).
2. Tentukan kemiringan dari grafik Anda. Jelaskan bagaimana gaya yang diberikan berkaitan dengan jarak lentur.
3. Ingat pekerjaan yang dapat dilakukan untuk sebuah sistem untuk mengubah energi dari sistem. Kerja yang dilakukan oleh
gaya F dapat ditentukan dengan menemukan daerah di bawah kurva dari sebuah kekuatan lawan grafik jarak.
Dari data Anda menentukan pekerjaan yang dilakukan untuk memecahkan papan.
Referensi
Rist, Curtis. (2000). Fisika dari karate:
Breaking papan. Temukan, 21.
Chananie, Jon. (1999). Fisika dari karate
pemogokan. Jurnal Bagaimana Hal Kerja, 1, 1-4.
Karate. Tersedia:
http://www.pbs.org/ktca/newtons/12/karate.htm.
Nowikow, I., & Heimbecker, B. (2001). Fisika:
Konsep dan koneksi. Toronto: Irwin
Penerbitan Ltd
Fisika 142. Karate memotong. Tersedia:
http://www-class.un1.edu/phys142/Labs/L50/L50_
Karate_chop_-_142_w_02.htm.
Memaksa udara. Tersedia:
http://www.schools.ash.org.au/paa/downloads/actbo
ok.pdf
Wilk, S.R., dkk. (1983). Fisika dari karate.
American Journal of Physics, 51, 783-790.
LAMPIRAN A
FISIKA KURIKULUM 2204 GUIDE 105
Kegiatan
Kegiatan 2: Pretzel
Tujuan: Untuk menggunakan tongkat pretzel untuk lebih memahami apa yang menyebabkan bahan untuk istirahat.
Bahan:
• pretzel tongkat dari berbagai ketebalan • gelas kertas
• potongan spaghetti mentah • wadah plastik film yang kosong
• gulungan 50 sen masing-masing, ditambah 50 sen longgar • gunting atau pisau kerajinan
• tali atau kawat tebal sekitar 6 cm • pinset
Prosedur:
1. Membangun pretzel kekuatan-pengujian mesin. Mulailah dengan memotong sebuah lubang besar di bagian dasar gelas kertas.
Set cangkir di meja, sisi bawah ke atas. Istirahat tongkat pretzel di tengah cangkir.
2. Berikutnya membuat ember berat untuk bertahan pada pretzel itu. Ambil wadah plastik film yang kosong dan membuat
dua lubang sekitar 1 cm dari tepi atas dan langsung berhadapan. Thread string atau kawat
melalui lubang-lubang dan mengikat ujung pada setiap lubang. Ember harus digantung di pretzel tanpa
menyentuh meja.
3. Mulailah pengujian. Dengan ember tergantung di tongkat pretzel mulai menambahkan sen. Lihat berapa banyak
sen pretzel dapat terus tanpa melanggar. Cari rata-rata jumlah uang satu jenis kue kering
tongkat dapat terus.
4. Mendapatkan momentum: Test untuk melihat apakah itu membuat perbedaan jika Anda menjatuhkan uang dalam ember atau Anda
menempatkan mereka dalam lembut dengan menggunakan pinset.
5. Breaking point: Test untuk melihat apakah titik terlemah dari pretzel adalah benar-benar di pusat.
6. Panjang dan lebar tes: Cobalah pretzel dari berbagai panjang dan lebar untuk melihat apa ukuran dan panjang memegang
paling dan paling sen.
7. Bandingkan dengan bahan lain: Apakah Anda berpikir pretzel atau sepotong mentah spaghetti lebih kuat
ketika membungkuk? Coba uji spaghetti mentah untuk melihat bagaimana untuk menahan dibandingkan dengan batang pretzel.
Pertanyaan:
1. Lihatlah ujung sebuah pretzel rusak dengan kaca pembesar. Apakah struktur yang memberitahu Anda apa-apa tentang
yang lentur kekuatan?
2. Dapatkah Anda mengetahui cara untuk menyebarkan berat di seluruh seluruh panjang pretzel itu? Apakah bisa menyimpan lebih
berat badan bila berat badan telah didistribusikan di area yang lebih besar?
(Aktivitas yang dirancang oleh Jane Copes, Science Museum of Minnesota dan diadaptasi dari Newton Apple
Guru Panduan: Karate)
LAMPIRAN A
106 FISIKA KURIKULUM 2204 GUIDE
Kegiatan
Kegiatan 3: (diambil dari Air Mendorong terletak di
http://www.schools.ash.org.au/paa/downloads/actbook.pdf)
Tujuan: Untuk menghubungkan sebuah chop karate sukses untuk tekanan udara.
Bahan:
• selembar koran
• penguasa
Prosedur:
1. menempatkan penguasa atau tongkat datar di atas bangku dengan sekitar seperempat dari panjang menggantung.
2. Berikan bagian menjorok dari penguasa memotong karate cepat dari atas.
3. Ulangi langkah di atas dengan sepotong koran menutupi bagian nonoverhanging penguasa.
Pertanyaan:
1. Menurut Anda, mengapa penguasa terpasang selama bagian kedua dari percobaan?
Penjelasan:
Air ada di sekitar kita mendorong dalam segala hal. Hal ini mendorong pada kulit kita dan di atas bangku. Penguasa memiliki
luas permukaan kecil, sehingga udara menekan di atasnya tidak cukup untuk menahan penguasa di tempatnya waktu Anda memukulnya.
Surat kabar itu memiliki luas permukaan besar. Kekuatan udara bertindak atas seluruh wilayah. Hasilnya adalah udara yang
memegang bawah kertas yang memegang penguasa di tempat. Tidak dapat mengangkat cukup cepat ketika menjorok
bagian dari penguasa dipukul, penguasa tidak memiliki pilihan tetapi untuk snap.