Общая физика проста - пусть гравитация делает свою работу.
Одна только скорость может быть фактором, который привлекает многих любителей спорта к соревнованиям по бобслею, санному спорту и скелетону на Зимних Олимпийских играх в Пекине в этом году. Но под захватывающими спусками по извилистой, покрытой льдом трассе играет множество концепций из физики. Именно то, как спортсмены реагируют на физику, в конечном итоге определяет самые быстрые пробежки среди остальных.
Я изучаю физику спорта. Большую часть волнения от санного бега легко пропустить - движения спортсменов часто слишком малы, чтобы их можно было заметить, поскольку они выглядят не более чем размытым пятном на экране вашего телевизора. Было бы легко предположить, что участники просто падают или скользят по дорожке по прихоти силы тяжести. Но эта мысль просто царапает поверхность всей тонкой физики, которая лежит в основе выступления, завоевавшего золотую медаль.
Трассы для соревнований по скольжению, такие как олимпийская трасса Зимних Олимпийских игр 2018 года в Пхенчхане, имеют высоту в сотни футов и множество крутых поворотов. Корейская культурно-информационная служба через Викисклад, CC BY-NC-SA
Гравитация и энергия
Гравитация - это то, что заставляет сани двигаться по обледенелым трассам в соревнованиях по бобслею, санному спорту и скелетону. Общая физика проста: начните с некоторой высоты, а затем упадите на меньшую высоту, позволяя силе тяжести разогнать спортсменов до скоростей, приближающихся к 90 милям в час (145 км/ч).
В этом году гонки проходят в Национальном центре санного спорта Яньцин. Длина трассы составляет примерно милю (1,6 км), перепад высот составляет 397 футов (121 метр) - самый крутой участок имеет невероятный уклон 18% - и состоит из 16 поворотов.
Всадники в гонках на санях достигают своей высокой скорости из-за преобразования потенциальной гравитационной энергии в кинетическую энергию. Гравитационная потенциальная энергия представляет собой накопленную энергию и увеличивается по мере того, как объект поднимается дальше от поверхности Земли. Потенциальная энергия преобразуется в другую форму энергии, как только объект начинает падать. Кинетическая энергия - это энергия движения. Причина, по которой летящий бейсбольный мяч разбивает стекло при попадании в окно, заключается в том, что мяч передает свою кинетическую энергию стеклу. И гравитационная потенциальная энергия, и кинетическая энергия увеличиваются по мере увеличения веса, а это означает, что в бобслейной команде из четырех человек энергии больше, чем в санном спорте или скелетоне из одного человека для данной скорости.
Гонщики имеют дело с большой кинетической энергией и сильными силами. Когда спортсмены входят в поворот со скоростью 80 миль в час (129 км/ч), они испытывают ускорение, которое может в пять раз превышать нормальное гравитационное ускорение. Хотя бобслей, санный спорт и скелетон могут показаться легкими, на самом деле это совсем не так.
Аэродинамика
Длина большинства трасс составляет около мили (1,6 км), и спортсмены преодолевают это расстояние менее чем за минуту. Окончательное время рассчитывается путем сложения четырех прогонов. Разница между золотой и серебряной медалью в мужском одиночном катании на зимних Олимпийских играх 2018 года составила всего 0,026 секунды. Даже крошечные ошибки лучших спортсменов мира могут стоить медали.
Все спортсмены начинают с одинаковой высоты и спускаются по одной и той же дорожке. Таким образом, разница между золотом и разочаровывающим результатом заключается не в гравитации и потенциальной энергии, а в быстром старте, максимальной аэродинамике и выборе кратчайшего пути по трассе.
В то время как сила тяжести тянет спортсменов и их сани вниз по склону, они постоянно сталкиваются с частицами воздуха, которые создают силу, называемую сопротивлением воздуха, которая отталкивает спортсменов и сани в направлении, противоположном их скорости. Чем аэродинамичнее спортсмен или команда, тем больше скорость.
Чтобы свести к минимуму сопротивление воздуха, саночники, лежащие лицом вверх, должны лежать как можно ровнее. То же самое делают всадники-скелеты, смотрящие вниз. Будь то команда из двух или четырех человек, бобслеисты остаются плотно зажатыми внутри салазок, чтобы уменьшить площадь, доступную для удара воздуха. Любые ошибки в позиционировании тела могут сделать спортсменов менее аэродинамическими и привести к небольшому увеличению времени, которое может стоить им медали. И эти ошибки трудно исправить при больших ускорениях и силах бега.
Кратчайший путь вниз
Помимо максимально возможной аэродинамики, еще одно важное различие между быстрым и медленным бегом заключается в траектории, по которой гонщики идут. Если они минимизируют общую длину своих саней и избегают зигзагов по трассе, гонщики преодолеют меньшее расстояние. В дополнение к тому, что вам просто не нужно ехать так далеко, чтобы пересечь финишную черту, сокращение пути означает меньшее сопротивление воздуха и меньшую потерю скорости из-за трения с трассой.
Фанаты часто упускают из виду тонкости поворотов и рулевого управления. Сани для всех соревнований сидят на стальных лезвиях, называемых полозьями. В бобслее есть два комплекта полозьев, которые соприкасаются со льдом. Передний наездник тянет за кольца, прикрепленные к шкивам, которые вращают передние бегуны. Бегуны на санных санях имеют изогнутые дуги спереди, где всадники помещают свои икры. Двигая головой и плечами или сгибая икры, спортсмены могут поворачивать сани. У гонщиков-скелетов нет этих элементов управления, и они должны сгибать сани, используя плечи и колено, чтобы начать поворот. Даже крошечное движение головы может заставить скелет сместиться с оптимальной траектории.
Все эти незаметные движения трудно увидеть по телевизору, но последствия могут быть большими - избыточная поворачиваемость может привести к столкновениям с путевой стенкой или даже авариям. Неправильное рулевое управление может привести к плохим поворотам, что может стоить водителям времени.
Хотя может показаться, что гонщики просто скользят по обледенелой трассе на огромной скорости после того, как они начинают движение, происходит гораздо больше. Зрителям придется внимательно следить за спортсменами на этих быстро движущихся санях, чтобы обнаружить интересные грани физики в действии.
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.