XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
БИОМЕХАНИКА СКОРОСТНОГО БЕГА НА КОНЬКАХ НА КОРОТКИХ ДИСТАНЦИЯХ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Наука – это спорт, гимнастика ума, доставляющая мне удовольствие.
Альберт Эйнштейн
Актуальность
Шорт-трек (бег на коньках по овальной дорожке) − относительно молодой, динамично развивающийся вид спорта, включенный в программу Олимпийских игр в 1992 году, находится на этапе обновления теории и методики подготовки спортсменов [8]. Популярность шорт-трека в России пока не так высока. Многие не знают этот вид спорта. Проблема подготовки российских шорт-трековиков в условиях возрастающей конкуренции диктует качественный рост их спортивно-технического мастерства, но далеко не все размышляли над вопросом, какая связь между спортом и физикой, как развитие физической науки влияет на совершенствование спортивных достижений.
Проблема
В настоящее время нет научно-методических рекомендаций по спортивно-технической тренировке в шорт-треке [1].
Объект исследования: взаимосвязь законов физики и эффективной спортивной техники шорт-трековиков.
Предмет исследования: шорт-трек.
Гипотеза: знание законов физики может помочь спортсменам и их тренерам победить в таком виде спорта, как шорт – трек.
Цель: выяснить,как знание законов физики может помочь спортсменам и их тренерам победить в зимнем олимпийском виде спорта – шорт – треке.
Задачи:
Выяснить взаимосвязь между физикой и шорт-треком.
Составить сборник задач «Физика шорт-трека»
Подготовить рекомендации для шорт-трековиков (систематизировать материал в буклете).
Методы исследования: классификация, анализ, синтез, эксперимент, моделирование, аналогия и метод научной абстракции.
Что такое «Шорт-трек»?
Шорт-трек (от англ. short track − "короткая дорожка") − вид лично-командных соревнований, в которых задача спортсмена на коньках − с максимальной скоростью преодолеть дистанцию, размеченную на площадке для хоккея с шайбой по периметру в 111,12 м. Площадка заливается горячей водой, которая попадает в трещины, растапливая лед, а после замерзания образует идеально ровную поверхность.
В шорт-треке не запрещено подталкивание одним из участников эстафеты товарища по команде для придания ему большего ускорения. Шорт-трек требует от спортсменов не только быстроты, но и личной борьбы с соперниками − в этом его отличие от конькобежных дисциплин.
Рис.1. Шорт-трек
Существует разновидность шорт-трека на роликовых коньках. Этот вид спорта не популярен. В данной работе мы рассматриваем только шорт-трек на льду. В этом виде спорта важна ловкость и скорость движений, поэтому большинство призеров – стройные люди невысокого роста.
Главная задача спортсмена − первым пересечь финишную линию. Важна стратегия поведения, свои возможности и учёт тактики соперников. Мы считаем, что не менее важно учитывать законы механики и точный индивидуальный расчет физических величин (скорость, ускорение, угол наклона, сила трения и т.п.) для каждого спортсмена.
Движение спортсменов проходит против часовой стрелки. Лезвия коньков смещены влево для того, чтобы во время поворотов ботинки спортсмена не касались льда. Заточка коньков нужна для достижения баланса между сцеплением лезвия с поверхностью льда и низким трением.
Лезвие имеет три секции. Пятка (20% лезвия), средняя часть (60% лезвия), носок (20% лезвия). Пятка поддерживает баланс и является начальным звеном для смены направления, выполнения поворотов и остановок. Носок используется для стартов, ускорения и толчков, обеспечивающих движение назад.
Точкой опоры называется центр поверхности скольжения, он расположен в 2-25 мм до центра лезвия. Центр тяжести находится на расстоянии от 5 до 25 мм за центром лезвия. Питч – угол наклона лезвия к поверхности льда (до 1,5 градусов). Влияет на балансировку корпуса спортсмена. Длина до 1.5 мм. Питч измеряется как градус угла или в миллиметрах, на разнице высоты лезвия между носком и пяткой [3].
Выводы:
Трение между лезвием конька и льдом должно быть минимальным, это можно достичь, наточив контур.
Чем больше масса тела, тем больше должна быть площадь лезвия, которая будет соприкасаться с поверхностью льда. Это позволит распределить массу равномерно. Длинный радиус контура (наибольшая часть лезвия соприкасается со льдом) обеспечивает баланс, меньшее трение и высокую скорость, но уменьшает возможность производить быстрые повороты. Короткий радиус контура дает большее трение, сокращает контакт между лезвием и льдом, увеличивает маневренность.
Слишком высокий питч лезвия наклоняет корпус вперед и человек передвигается на носке. Если лезвие «заходит» назад, то теряется ускорение.
1.2 Экипировка в шорт-треке
По данным сайта библиотеки международной спортивной информации http://bmsi.ru/4 конькобежцы должны быть экипированы шлемом безопасности, (по стандарту ASTM), перчатками, защитой для голеней и коленей, комбинезоном, шейным протектором. Коньки должны иметь закрытые трубки, концы лезвий закруглены с радиусом 10 мм.
Рис.2. Коньки
Острые коньки особой формы (полозы подвижные и слегка выгнутые) позволяют спортсменам проходить крутые повороты.
Длина лезвий 38 – 46 см, толщина 1.1-1.2мм.После каждого забега лед поливают водой, чтобы выровнять. Позади конькобежца остаётся след − замерзшая водяная пленка. Прибор для измерения коэффициента трения блок электронного обеспечения, включает датчик ускорения и аккумулятор, движется по льду на полозьях.
Рис.3. Шлем
Шлем плотно сидит на голове, благодаря регулировке натяжения. Аэродинамичный, супероблегчённый, жёсткая внешняя оболочка из пластика, внутренняя вставка из пенополиуретана.
Рис.4.Перчатки.Наколенники, налокотники.
Ж есткие кожаные перчатки из дышащих материалов вылиты из эпоксидного клея для наилучшего соприкосновения со льдом рукой для равновесия. Наколенники,
налокотники предохраняют от травм. На шею обязательно надевается «ошейник» - это устройство против травм шейного отдела.
О чки с цветными линзами, чтобы защитить глаза от ледяной крошки, ветра и блеска льда.
Рис. 5. Очки
Рис.6. Костюм для шорт-трека.
Специальный комбинезон в шорт-треке(80% полиэстер и 10% лайкра), плотно обтягивающем тело для уменьшения сопротивления воздуха [5].
Выводы:
По мнению профессионалов, экипировка и навыки в шорт-треке, конечно, необходимы. Но наиболее важным является тактика и стратегия будущего забега [1]. Мы же считаем, что необходимо рассчитывать силу трения и силу сопротивления движению для каждого спортсмена, использовать прибор для измерения коэффициента трения блок электронного обеспечения (БЭО).
1.3.Биомеханика конькобежца
Биомеханика - раздел естественных наук, изучающий на основе моделей и методов механики механические свойства живых тканей, органов и систем, или организма в целом, а также происходящие в них механические явления [9].
Кинематические параметры движения человека конькобежца хорошо изучены [2] (см. рис. 7).
Начало свободного проката (А)
Начало одноопорного отталкивания (Б)
Начало двухопорного отталкивания (В)
Рис. 7. Базисные кинематические положения при беге на коньках.
Кинематические характеристики бега на коньках: длина шага, длительность фаз: свободного проката, одноопорного и двухопорного отталкивания; средняя скорость по фазам, ширина "елочки", формы посадки конькобежцев, быстрые изменения в скорости. Рис. 8. Положительное направление
моментов в суставах толчковой ноги
Например, при постановке стопы на опору при беге и прыжках происходит резкое изменение вертикального ускорения.
При движении конькобежца по льду его движению препятствует сила трения скольжения. Коэффициенты сопротивления для разных форм посадки конькобежцев в зависимости от скорости и вида бега: с руками или без рук, по прямой или по повороту - от 0,75 до 1,2 [2].
Рис.9. Схема одноопорного скольжения
На тело спортсмена, скользящего по дуге окружности радиусом ρ, имеющего в данный момент скорость V, действуют: сила тяжести Р, сила трения F, направленная в сторону, противоположную движению; касательная сила инерции Jτ, параллельная оси Ох и направленная противоположно замедлению; нормальная центробежная сила инерции Jn, параллельная оси Оу; сила реакции опоры N, направленная вверх.
Спортсмен находится в координатной плоскости zOy, ось наклонена на угол α к вертикали: l — расстояние от центра тяжести тела С до точки опоры О.
Выводы:
Скольжение по дуге в одноопорном положении является основным режимом движения в шорт-треке и характеризуется скоростью, ускорением, радиусом дуги скольжения, силой инерции, силой давления конька на лед, силой трения.
Наибольшее воздействие силы аэродинамического сопротивления приходится на туловище спортсмена.
1.5.Законы физики в шорт-треке
Механическая энергия сил трения переходит во внутреннюю энергию льда. Для того чтобы определить, как они связаны, рассмотрим схему одноопорного скольжения (см. рис. 9). Наклон тела к поверхности льда определяет реберность скольжения — одно из основных условий высокого качества поворота.
, где ρ — радиус кривизны следа.
Известно, что при малых углах наклона опорная нога может оставить на льду двухреберный след, а это грубая ошибка.
При изучении техники скольжения полезно знать силу давления конька опорной ноги на лед: (2).Зависимость силы давления конька на лед также можно рассчитать по формуле: (11).
Выводы:
Сила давления на лед прямо пропорциональна массе спортсмена, квадрату скорости и обратно пропорциональна радиусу дуги скольжения и синусу угла наклона человека.
В формулу не входит масса тела, значит, угол наклона тела спортсмена зависит только от радиуса дуги и скорости скольжения и увеличивается пропорционально квадрату скорости скольжения.
Так как косинус угла всегда меньше единицы, то из формулы (2) следует: при скольжении по дуге в состоянии динамического равновесия сила давления конька на лед всегда больше веса спортсмена (P=mg) и равна его весу при скольжении по прямой.
Когда конек лезвием проводит по льду, механическая энергия переходит в тепловую в точках соприкосновения конька со льдом, лед тает и образуется водяная смазка (закон сохранения энергии).
Закон сохранения момента импульса выражается через векторную сумму всех моментов импульса относительно выбранной оси для замкнутой системы тел и остается постоянной, пока на систему не действуют внешние силы. Момент импульса замкнутой системы не изменяется со временем. Полный момент импульса состоит из моментов импульса корпуса и вытянутых рук [10].
Вывод: при опускании рук их момент уменьшается до нуля, при этом увеличивается момент импульса корпуса, в результате чего возрастает скорость вращения. Угловая скорость увеличивается во столько раз во сколько раз уменьшается момент инерции, и наоборот.
Задача биомеханики заключается в оценке действующих на конькобежца сил и выявлении путей минимизации энергозатрат при увеличении механической мощности бега на коньках, способствующих росту соревновательной скорости. Если по программе ОФП тренируются по 3040 минут в день три раза в неделю, то могут следовать обычной диете (1 800- 2 400 ккал в день, 2 535 ккал в день на 1 килограмм веса – при весе 50 - 80 килограммов), поскольку их потребность в калориях не увеличится за счет режима тренировок (200 - 400 ккал на занятие).
Спортсмены, занимающиеся по интенсивной программе (2 - 3 часа в день, 5 - 6 раз в неделю) расходуют 600 - 1 200 и более ккал за час занятий. Поэтому расходуют 50 - 80 ккал в день на килограмм веса (2 500 8 000 ккал в день для спортсмена весом 50 - 100 кг). Для соревнующихся спортсменов расход энергии во время соревнований может быть гораздо больше.
Многие спортсмены потребляют недостаточное количество энергии во время тренировок. Это конькобежцы и спортсмены, которые пытаются быстро сбросить вес. Кроме того, у женщин - спортсменок риск различных нарушений питания существенно выше [6].
Вывод: оптимизация результатов тренировок при помощи спортивного питания – обеспечение спортсмена достаточным количеством калорий в соответствии с расходуемой им энергией (согласно закону сохранения энергии).
ГЛАВА II. Практическая часть.
Обсуждение материалов исследований
Теоретический анализ влияния некоторых законов физики из разделов «Механические и тепловые явления» показал, что для достижения высоких результатов в шорт-треке необходимо учитывать изменение скорости скользящего шага в беге по повороту, динамику отталкивания в беге и закон сохранения энергии при выборе спортивного питания. Питание с дефицитом энергии во время тренировок приводит к потере веса, к болезням и снижению спортивной результативности.
Ошибаются те, кто считает, что для освоения спортивных вершин достаточно только одной физической подготовки. Нет, спорт без науки и, в частности, без физики бессилен.
Физика - (греч . ta physika, от physis - природа), наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Поэтому мы решили, опираясь на законы физики, составить сборник задач «Физика шорт-трека».
2.2. Сборник задач «Физика шорт- трека»
2.2.1.Кинематика. Задача №1.
Теория. В результате анализа биомеханики конькобежца (п.1.3 данной работы) выявлено, что скольжение по дуге в одноопорном положении является основным режимом движения в шорт-треке и характеризуется скоростью, ускорением и радиусом дуги скольжения.
Софья Просвирнова (четвертое место на Шанхайском этапе Кубка мира (500 м – сентябрь 2013). Спортсмены называют подобное достижение «деревянной» медалью, но не для школьницы в возрасте 15 лет. В ноябре 2013-го включена в состав олимпийской сборной России по шорт-треку) движется со скоростью 12 м/с по окружности радиусом 50м. Каково центростремительное ускорение при её движении?
|
Дано: V= 12 r = 50 м |
V Р ешение:
ац
r |
|
aц - ? |
При движении по окружности с постоянной скоростью центростремительное ускорение определяется по формуле:
Ответ:
2.2.2. Динамика. Задача №2.
Теория. Наклон тела к поверхности льда определяет реберность скольжения — одно из основных условий высокого качества поворота.
Наклонившись под углом 600 к горизонту, Денис Айрапетян (мастер спорта России международного класса. Чемпион Европы 2018 года. 6-и кратный призёр чемпионатов Европы) описал окружность радиусом 20 м. Его скорость равна?
|
Дано: r = 20 м tg 60o g = 10 V - ? |
Р ешение: V = 10,76 Ответ: V = 11 м/с. |
2.2.3. Законы сохранения. Задача №3.
Теория. Закон сохранения импульса – следствие 2-го и 3-го законов Ньютона. Геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы. Из закона сохранения энергии кинетическая энергия конькобежца расходуется им на работу против силы трения, поэтому AFтр=ΔEk.
Семен Елистратов массой M = 65 кг (http://www.team-russia2014.ru/person/7.html),заслуженный мастер спорта России. Олимпийский чемпион 2014 года и бронзовый призёр Олимпийских игр 2018 года. Чемпион мира 2015 года, двукратный серебряный призёр чемпионатов мира, пятикратный бронзовый призёр чемпионатов мира; многократный чемпион Европы; обладатель Кубка мира), стоя на коньках на льду, бросает в горизонтальном направлении камень массой m = 3 кг со скоростью v= 8 м/с. На какое расстояние откатится при этом Семён, если коэффициент трения коньков о лед k= 0,02?
|
Дано: M = 65 кг m = 3 кг v= 8 м/с k= 0,02 |
Решение: С учетом того, что , получим в уравнение в проекциях на горизонтальную ось , откуда скорость конькобежца . Из закона сохранения энергии кинетическая энергия конькобежца расходуется им на работу против силы трения, поэтому AFтр=ΔEk AFтр=FтрScosα=-FтрS. Так как. cosα=-1 (сила трения |
|
S - ? |
|
|
н аправлена в сторону, противоположную скорости, α=180°). Приращение кинетической энергии ΔEk Тогда -FтрS
|
|
2.2.4.Тепловые явления
Теория. Причиной многих неудач в спорте являются нецелесообразное распределение биологически активных средств в рационе, невосполняемость энергетических затрат.
|
Некоторые сведения, полезные для поддержания здоровья «на уровне» |
|
|
Поглощая пищу, вы потребляете содержащуюся в ней энергию в следующих количествах: Хлеб – 9000 Дж/г Сахар – 17000 Дж/г Молоко – 3000 Дж/г Мясо – 7500 Дж/г Картофель – 4000 Дж/г Масло сливочное – 33000 Дж/г Овощи и фрукты – 600 – 2000 Дж/г |
Работая, вы расходуете энергию в следующих примерно количествах (за 1 час на 1кг массы человека) При подготовке уроков – 6000 Дж При зарядке – 16000 Дж При лежании – 4000 Дж При плавании – 30000 Дж Во время сна – 4000 Дж При ходьбе – 15000 Дж |
Задача №4
Екатерина Ефременкова (на Чемпионате мира по шорт-треку 2016 года завоевала бронзовую медаль, на Чемпионате Европы 2018 года завоевала золотую медаль, в 2018 году стала абсолютной чемпионкой России в многоборье) съела на завтрак 2 яйца, 2 ломтика хлеба с джемом (200 г), 150 г овсяной каши и 200 мл молока, затем отправилась на тренировку и прокатилась 10000 м. Какова удельная теплота завтрака? Достаточно ли его, если при катании на 10000 м тратится 350 ккал, а 1 ккал = 4,1868 кДж?
|
Дано: |
СИ: |
Решение: |
|
=728 кДж =1566 кДж =911 кДж =494 кДж = 1027 = 120 г = 200 г = 150 г = 200 мл = 350 ккал |
=0,12 кг =0,2 кг =0,15 кг =200 * =1465 кДж |
= ; =1027 *200 * = 0,02 кг r = Q= + + +Q = 728 кДж+1566 кДж+911 кДж+494 кДж = 3699 кДж m = + + + ; m = 0,12 кг+0,2 кг+0,15 кг+0,2 кг = 0,67 кг = 350 ккал = 1465,38 кДж => < Q |
Ответ: r = 5521< Q, то достаточно завтрака, который она съела.
Заключение
В работе исследованы теоретически биомеханика конькобежца, особенности экипировки в шорт-треке, закон сохранения энергии при выборе спортивного питания и выявлена связь спортивных достижений и законов физики. Анализ влияния законов физики из разделов «Механические и тепловые явления» показал, что для достижения высоких результатов в шорт-треке необходимо учитывать изменение скорости скользящего шага в беге по повороту, динамику отталкивания в беге.
Основные выводы:
1.Согласно закону сохранения энергии для скольжения по льду надо, чтобы сила трения скольжения была небольшой. Если площадь лезвия маленькая, то давление на лед большое, лед под коньком будет плавиться, причем механическая энергия переходит во внутреннюю энергию льда. За счет повышения внутренней энергии, лед в точках соприкосновения с коньком, расплавляется, образуется пленка воды – смазка, облегчающая скольжение. Поэтому при в шорт-треке необходимо учитывать силу трения и способы ее уменьшения, использовать прибор для измерения коэффициента трения блок электронного обеспечения (БЭО).
2. Скольжение по дуге в одноопорном положении является основным режимом движения в шорт-треке и характеризуется скоростью, ускорением, радиусом дуги, силой инерции, силой давления конька на лед, силой трения. Все величины можно рассчитать для каждого спортсмена индивидуально.
3.Согласно схеме одноопорного скольжения сила давления на лед прямо пропорциональна массе спортсмена, квадрату скорости и обратно пропорциональна радиусу дуги скольжения и синусу угла наклона человека.
4. В результате исследования выяснилось, что наибольшее воздействие силы аэродинамического сопротивления приходится на туловище спортсмена.
5. Во время бега на коньках спортсмен расходует энергию на преодоление сил сопротивления воздуха, трения скольжения, инерции. Питание с дефицитом энергии во время тренировок приводит к потере веса, к болезням и снижению спортивной результативности.
Таким образом, мы достигли цели нашей работы, и гипотеза оказалась верна, то есть знание законов физики действительно необходимо спортсменам, тренерам и спортивным врачам, даже в шорт-треке.
Новизна работы: подготовлены рекомендации для шорт-трековиков и систематизированы связи законов физики и шорт-трека в буклете «Как достичь успеха в шорт-треке?» (см. Приложение). создан сборник задач «Физика шорт-трека» (разделы «Кинематика», «Динамика», «Тепловые явления»). В перспективе будут дополняться задачи как в представленные разделы, так и задачи по оптике и законам сохранения.
Практическая значимость:работа будет полезна для учащихся, интересующихся как физикой так и таким вида спорта, как шорт-трек. Также можно применить идеи для спортсменов, врачей и тренеров для достижения высоких результатов в шорт-треке.
Список литературы
Воронов А.В. Биомеханический анализ техники бега на коньках / А.В. Воронов, Ю.С. Лемешева // Вестник спортивной науки. – 2012. - № 3. – С. 34-43.
Воронов А.В. ИМИТАЦИОННОЕ БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ ЧЕЛОВЕКА. [электронный ресурс] — URL: http://lib.sportedu.ru/Press/TPFK/2004N2/p22-26,39-40.htm (дата обращения: 06.08.2021).
Воскресенский, М. В. Биодинамические детерминанты структуры двигательных действий шорт-трековика и технология ее реализации в учебно-тренировочной и соревновательной деятельности [электронный ресурс] – URL: https://www.dissercat.com/content/biodinamicheskie-determinanty-struktury-dvigatelnykh-deistvii-short-trekovika-i-tekhnologiya (дата обращения: 06.08.2021).
Инвентарь и экипировка для шорт-трека [электронный ресурс] – URL: http://www.hockey-m.ru/shorttrack/shorttrack4/ (дата обращения: 06.08.2021).
Мифы или реальность. Шорт-трек. [электронный ресурс] — URL: http://www.molomo.ru/myth/short_track.html (дата обращения: 06.08.2021).
Шорт-трек. [электронный ресурс] — URL: Шорт-трек: описание, история, правила, экипировка, трасса (sport-wiki.org) (дата обращения: 06.08.2021).
СпортСмак. Примерные рационы для спортсменов. [электронный ресурс]— URL:http://sportsmak.ru/index.php/professional/398-2011-02-04-17-49-54.html (дата обращения: 06.08.2021).
Панов, Г.М. Теоретические основы техники скоростного бега на коньках // Конькобеж. спорт : [Сборник]. - М., 1980. - Вып. 2. - С. 47-56.
Фигурное катание на коньках (под редакцией Мишина А.Н.) [электронный ресурс] — URL: https://www.tulup.ru/articles/82/glava_4_biomehanicheskie_osnovy_tehniki_dvizhenij_figurista.html (дата обращения: 06.08.2021).
Зимние виды спорта и закон сохранения импульса [электронный ресурс] — URL: https://videouroki.net/razrabotki/zimnie-vidy-sporta-i-zakon-sokhraneniya-impulsa.html (дата обращения: 06.08.2021).
Рис. 10. Буклет 1
ПРИЛОЖЕНИЕ
Рис. 11. Буклет 2