Сегодня на планете отмечают Всемирный день снега или Международный день зимних видов спорта. Ежегодно с 2012 года дата праздника выпадает на предпоследнее воскресенье января. С инициативой приурочить январский день календаря к проведению праздника выступила Международная федерация лыжного спорта (FIS). Цель идеи — популяризация зимних видов спорта и активного здорового образа жизни. Девиз праздника гласит и призывает: «Насладиться, ознакомиться и испытать!».
Кроме того, известно ли вам, что знания физики влияют на совершенствование спортивных достижений? И, что особенно это касается горнолыжных видов спорта? А причины спортивных неудач, чаще всего, можно объяснить с научной точки зрения?
К примеру, выбор оптимальной траектории в слаломе.
«Стандартный (простой) поворот на горных лыжах значительно отличается от резанного (карвингового). Вес тела спортсмена в движении переносится на наружную ногу (по отношении к траектории). Освободившаяся нога в движении с «носка» разворачивается в нужную сторону, после чего вес полностью переносится на нее, а «внешняя» лыжа просто подтягивается. Это известная техника, которая обеспечивает четкий, контролируемый разворот не небольшой скорости в простых условиях.
Для карвингового разворота без потери скорости спортсмен выполняет постановку снарядов на боковую поверхность (кант). Вследствие этого лыжа врезается острой поверхностью в снег, ее движение далее автоматически определяется формой радиально изогнутого бокового выреза. Таким образом, траектория движения сразу же изменится в ту сторону, где были загружены канты.
Регулировка радиуса поворота производится при помощи положения тела, а также работы с массой. Разделение типов условное – широкие и короткие. Широкие характеризуются тем, что радиус получается большим, за счет чего остается больше времени на его выполнение. Это достигается путем существенного смещения центра массы тела в сторону, куда необходимо повернуть. Короткие повороты требуют меньших усилий на работу с положением тела, заключаются в коротком отклонении тела в сторону центра разворота, из-за чего лыжи изгибаются на небольшой радиус и выполняют смену траектории движения. Радиус получается меньшим.
Очевидно, что кратчайшая траектория на слаломной трассе – это изломанная линия, соединяющая внутренние флаги ворот. Однако скоростное преодоление дистанции слалома по такому пути практические неосуществимо, потому что лыжник не в состоянии создать при закантовке огромную реакцию опоры для образования должной центростремительной силы. Следовательно, наибыстрейшая траектория в слаломе – движение по оптимальной волнообразной кривой, проходящей вблизи внутренних флагов у каждых ворот.
При выборе того или иного приема на конкретном участке трассы необходимо учитывать следующие факторы – траектория спуска (для поворота это означает величины его радиуса и кругового угла), крутизна и рельеф склона, состояние снежного покрова, скорость движения и характер последующего спуска». [Из материала «Научной России» о лекции Дмитрия Ливанова: «Как знание физики помогает в горнолыжных видах спорта»]
Как уменьшить силу трения? Вопрос актуален для конькобежного, лыжного и других видов спорта, поскольку сила трения снижает спортивные результаты.
Конькобежцам, хоккеистам и фигуристам следует знать законы физики, связанные с характером взаимодействия конька со льдом. Успех в спортивных соревнованиях в прямой зависимости от: силы трения, силы тяжести и движения толчков ноги.
«Между лезвием конька и льдом при скольжении образуется пленка воды. Она очень тонкая, однако, без нее этого скольжения не было бы. Под давлением лед плавится, образуя смазку, что еще уменьшает трение скольжения. За счет движения конькобежца по льду возникает сила трения. Так же при скольжении по гладкой поверхности участвует сила трения покоя, позволяющая отталкиваться от гладкой поверхности, когда он ставит конек на ребро, или резко останавливается. Силы трения возникают при взаимодействии лыж со снегом. Сила трения при скольжении зависит от величины силы нормального давления лыж на снег (равного силе тяжести); его увеличение приводит и к замедлению скольжения. Сила трения сцепления во многом определяет угол срыва лыжи при отталкивании (проскальзывание)».
Учитывается закон трения и в керлинге. Во время скольжения камня участники команды оценивают его движение, натирают лед щетками. Эти действия помогают отчасти скорректировать дальность пуска и траекторию движения камня. Регулируется траектория по простым физическим законам: при трении лед тает, образуется тонкая пленка воды — смазка, уменьшающая трение, а при царапании льда, наоборот, — сила трения увеличивается и камень скользит медленнее. Важно: тереть изо всех сил, налегая на щетку и удерживая равновесие на скользкой поверхности. Если камень запустили с нужной силой, спортсмены при помощи щеток только регулируют его направление.
Санный спорт: «Скольжение саней происходит под действием скатывающей силы. А тормозит их сила трения полозьев по льду, которая зависит от коэффициента трения. Величина эта непостоянна: она уменьшается, когда лед под полозьями начинает подтаивать. Именно поэтому перед стартом спортсмен и раскачивает сани. Он нагревает полозья трением. При движении саней возникает еще одна сила — сила аэродинамического сопротивления, которая очень быстро увеличивается с ростом скорости спуска. Чтобы уменьшить силу сопротивления, спортсмен во время движения лежит на санях, следя за трассой боковым зрением. Полозья саней изогнуты, чтобы они могли вписаться в вираж, не врезаясь в стенку трассы. На вогнутых участках трассы сила трения растет, скорость падает. Это происходит из-за того, что полозья там опираются на лед по всей длине, увеличивается ширина царапин на льду».
Бобслеисты носят на старте ботинки с шипами, чтобы улучшить сцепление. Без сцепления со льдом команда не сможет запустить боб. Даже если есть немного трения, более массивный боб сложнее толкать.
«Между гладким металлом и льдом возникает значительное трение, но для того, чтобы замедлить скорость боба, хватило бы и небольшого трения. Привести боб в движение сложнее, чем продолжить движение, т.к. сила статического трения (трения между неподвижным предметом и поверхностью, на которой он находится) — больше, чем трения скольжения. Во время управления бобом пилот использует каждую благоприятную возможность, поэтому часто он начинает толкать боб только после того, как тот приходит в движение, чтобы сэкономить силы».
Какой лед лучше для саночников: гладкий или бугристый?
Давление на лед создает спортсмен своей массой и массой саней. Площадь опоры полозьев саней не велика, но если лед гладкий, то силы давления не хватит, чтобы лед под санями растаял, и вода снизила силу трения саней о лед. Если ко льду прилегает вплотную не вся поверхность полоза, то давление, которое оказывает спортсмен с санями на лед, многократно возрастает. Лед подтаивает, это снижает силу трения между полозьями и льдом. Таким образом, предпочтительнее немного бугристый лед.
Кстати, саночники должны быть одеты в гладкую и облегающую форму. Спортсмены перемещаются с высокой скоростью. Сопротивление воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения спортсмена: F=kv2. Сопротивление воздуха также обусловлено площадью сечения предмета и структуре поверхности тел. Чем больше и грубее поверхность, тем сильнее тормозной эффект.
Результат зависит и от обуви спортсменов. Отталкивание саночников для придания начальной скорости важно для победы в соревнованиях. В процессе толчка шипы обуви погружаются в покрытие и способствуют прочному соединению с опорой. По закону сохранения кинетической энергии: изменение кинетической энергии равно сумме работ внешних и внутренних сил. Так как работа опоры равна нулю, то кинетическую энергию саночника меняет лишь работа мышц. Правильная начальная скорость саней зависит от надежного сцепления шипов обуви со льдом.
Подробнее о Всемирном дне снега на официальном сайте.
Фото: fanfo / ru.123rf.com
