Физические явления в лыжном спорте

VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Физические явления в лыжном спорте

Куреева Е.С. 1
1МБОУ «Гимназия №11 г. Ельца»
Австриевских Н.М. 1
1МБОУ «Гимназия №11 г. Ельца»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Наука – это спорт, гимнастика ума,

доставляющая мне удовольствие.

Альберт Эйнштейн

  Проблема

В современном мире тема развития спорта и спортивных достижений очень актуальна.

Но на пути к высоким вершинам в любом виде спорта стоят преграды, вызванные, прежде всего, влиянием различных физических явлений и закономерностей. Однако правильное использование соответствующих физических законов может помочь спортсмену в достижении высоких результатов. Знание законов физики необходимо спортсменам, тренерам, спортивным врачам и даже просто любителям массового спорта.

Всем известно, какую роль играет спорт в жизни человека, но далеко не все задумывались над вопросом, какова связь между спортом и физикой, как развитие физической науки влияет на совершенствование спортивных достижений. Для освоения спортивных вершин недостаточно лишь одной физической подготовки. Спорт без науки и, в частности, без физики бессилен.

Как всем известно, результаты в спорте, в том числе лыжном, зависят от многих факторов. В первую очередь – это, конечно, физическая подготовленность самого спортсмена.

Но считается, что не менее значимыми факторами, определяющими спортивный результат, являются: состояние, рельеф трассы, перепад высот, погодные условия, лыжный инвентарь и качество его подготовки.

Гипотеза

Влияют ли на спортивный результат лыжника внешние факторы: рельеф трассы, перепад высот, погодные условия, лыжный инвентарь и качество его подготовки?

Новизна

Новизна проекта состоит в том, что наши исследования будут основаны не только на наблюдениях, но и на изучении современных технологий в лыжном спорте. Расчеты в экспериментах будут произведены путем применения законов физики.

Цель

Исследовать взаимосвязи науки физики с другими науками и сторонами окружающего нас

мира.

Задачи

На примере отдельно взятого вида спорта путём наблюдения, экспериментов и математического расчёта доказать взаимосвязь физических явлений и спортивных достижений.

Объект

Лыжный спорт и законы физики, влияющие на него.

Исследование

Силы, действующие на лыжника

Техника передвижения на лыжах анализируется с помощью законов биомеханики. На лыжника, который вместе с лыжами и палками представляет единую сложную систему, действуют внешние силы. В то же время при движениях возникают и внутренние силы. Они взаимодействуют, обеспе­чивая перемещение всей биомеханической системы. При взаимодействии с внешней средой возникают и действуют на всю систему «лыжник - лыжи» силы: реак­ции опоры, сопротивления воздуха и инерции, сила трения, сила тяжести.

1. Сила трения

В физике существует понятие «трение скольжения». Этот термин был введен в науку М. В. Ломоносовым. Благодаря трению человек передвигается, удерживает в руках различные предметы.

При скольжении лыжника по снегу он преодолевает трение, в результате расходуется энергия. Затраченная энергия преобразуется в тепло, снег под лыжами подтаивает, становится скользким.

Сила трения скольжения - это сила, возникающая между соприкасающимися телами при их относительном движении, и равна максимальной силе трения покоя Fтр = m·N

где  — Коэффициент трения скольжения

N - Сила нормальной реакции опоры

При движении лыжи по снегу возникает сила трения как противодействие снега, приложенное к лыже. При скольжении сила трения направлена по касательной в сторону, противоположную относительной скорости. В нашем случае: при действии лыжи на снег по касательной к его поверхности сила трения направлена по равнине вдоль лыжи (рис.1)

Рис.1

Силу трения можно увеличить с помощью специальных засечек на лыжах. Наличие этих засечек имеет значение при старте и при подъёмах. (рис.2)

Рис.2

Трение во многих случаях полезно и даже необходимо. Но иногда излишнее трение бывает нежелательно и от него стараются избавиться. Это, в частности, относится и к лыжам.

Силу трения можно уменьшить с помощью специальных мазей. Их выбор зависит от температуры и состояния лыжни. Требуется найти такую мазь, которая крепко держалась бы на скользящей поверхности лыж. Кроме того, эта мазь должна увеличивать сцепление лыж со снегом в то время, когда спортсмен отталкивается или подымается в гору. При правильном подборе мази коэффициент трения удается снизить до 0,02—0,04.

Изменение температуры воздуха оказывает значительное влияние на изменение величины коэффициента трения. С понижением температуры он увеличивается. 

Рассмотрим таблицу №1 «Изменение коэффициента трения в зависимости от температуры»

Таблица №1

Структура

снега

Коэффициент трения при температуре

0

-6

-10

-16

-20

-26

-30

-40

Пушистый

0,16

0,16

0,20

0,26

0,30

0,32

0,34

0,36

Метелевый

0,14

0,12

0,16

0,19

0,28

0,28

0,30

0,40

Зернистый

0,10

0,11

0,12

0,14

0,16

0,19

0,28

0,30

Диаграмма №1

На графике эта зависимость будет выглядеть так:

Из данных диаграммы №1 видно, что при понижении температуры от нуля до минус 40° коэффициент трения увеличивается почти в три раза.

В результате наблюдений я заметила, что глубина следа, оставляемая лыжами, бывает разная. Она зависит от состояния снега. На подмороженном снегу лыжи совсем не проваливаются. А по пушистому снегу приходится двигаться, проваливаясь в снег. Также я обратила внимание на то, что наилучшие условия для движения лыж наблюдаются при температуре от -3 до -10°С.

Значит, коэффициент трения скольжения зависит от плотности снега и температуры воздуха.

Рассмотрим таблицу №2 «Зависимость коэффициента трения снега от плотности и температуры»

Таблица №2

Плотность снега

В г/см3

Коэффициент трения μ

Температура в ° С

от +2 до -1

-4

от -16 до -30

0,1

0,18

0,1

0,14

0,3

0,09

0,07

0,08

0,5

0,04

0,025

0,033

0,55

0,03

0,015

0,021

Из данных таблицы №2 видно, что коэффициент трения снега изменяется с изменением плотности снега. Наибольшее значение он достигает при наименьшей плотности.

С увеличением плотности снега глубина следа будет уменьшаться и, следовательно, на прокладывание следа будет затрачиваться меньше мощности. На плотном снегу, на укатанной дороге и на льду лыжи вообще не проваливаются, и на прокладывание следа мощность тратиться не будет.

Еще я заметила одну особенность, связанную с коэффициентом трения. Это налипание и намерзание снега на подошвы лыж при температуре, близкой к 0°С.

Я провела эксперимент. Лыжи при ходьбе при температуре воздуха 0°С скользили очень хорошо. Я простояла неподвижно на лыжах 3 минуты. В результате, когда я хотела двинуться дальше, оказалось, что лыжи прилипли к снегу.

Также величина силы трения зависит от крутизны склона.

Fтр = m·N

Сила нормальной реакции в случае наклонной поверхности N = mgcos α

Силу трения можно рассчитать по формуле: Fmp = μ *mg *cos α

Я заметила, что, чем выше угол подъема, тем сильнее скользят лыжи, т.е. сила трения уменьшается. (рис.3)

Рис.3

Проверим это расчетным путем.

В качестве показателей я взяла углы: 15, 30, 45, 60 градусов. Из таблицы «Изменение коэффициента трения в зависимости от температуры» возьмем μ = 0,16 (Температура 0°, снег пушистый). Масса m = 60кг. Вычислим силу трения. (Смотри таблицу №3)

Таблица №3

Угол

Косинус

Fmp = μ *mg *cos α

15°

0,97

0,16 * 60 * 10 *0,97 = 93Н

30°

0,87

0,16 * 60 * 10 *0,87 = 84Н

45°

0,70

0,16 * 60 * 10 *0,70 = 67Н

60°

0,50

0,16 * 60 * 10 *0,50 = 48Н

Как видно из таблицы, величина силы трения зависит от угла подъема, и она уменьшается при увеличении угла.

2. Сила тяжести.

Сила тяжести тела лыжника направлена отвесно и приложена к общему центру тяжести (ОЦТ). Fт тела лыжника на равнине прижимает лыжи к снегу. (рис.4).

На склонах она раскладывается на составляющие: перпендикулярную к склону PN (силу давления) и на параллельном склоне (касательную) PQ(рис.5). Они меняют свою величину с изменением крутизны склона. С увеличением крутизны нормальная составляющая уменьшается, а касательная увеличивается. Эта зависимость выражается формулами:

PN = P * cos a

PQ = P * sin a

Из формул видно, что с увеличением угла a, т. е. крутизны склона, сила PN уменьшается, а сила PQ, параллельная склону, увеличивается. (Смотри рис. №4 и №5)

Рис.4 Рис.5

3. Сила инерции.

Силы инерции тел лыжника возникают при ускорении. Они бывают положительные - с увеличением скорости, отрицательные - с её уменьшением, центробежные - с изменением направления скорости.

Величина силы равна произведению массы тела, имеющего ускорение, и самого ускорения. Сила инерции направлена противоположно ускорению.Fин = ma

В результате наблюдения за результатами ходьбы по лыжной трассе, спусков с горы на лыжах я сделала следующие выводы относительно сил инерции:

При отталкивании при ходьбе на лыжах и прыжках с трамплина силы инерции увеличивают давление на снег, что улучшает сцепление лыжи со снегом.

Маховые движения, направленные от опоры во время отталкивания при разгоне, вызывают силы инерции, направленные к опоре. Они способствуют большему напряжению мышц ноги и руки, выполняющих отталкивание, а также лучшему сцеплению лыжи со снегом.

Во время ускоренного движения лыжника вниз силы инерции тела направлены вверх. Поэтому они уменьшают действие веса тела на лыжи, тем самым уменьшая трение лыж по снегу.

Скольжение лыжника при торможении при отрицательном ускорении (оно направлено назад) вызывает силы инерции, направленные вперед.

Силы инерции при повороте лыжника направлены в сторону, противоположную центростремительному ускорению. Они объясняют равновесие в положении наклона, поддерживают тело в наклоне, в то время как сила тяжести направлена на его опрокидывание внутрь дуги поворота.

4. Реакция опоры.

Как противодействие весу тела и силам инерции, приложенным к опоре, имеются реакции опоры. Они равны силе действия на опору по величине и противоположны по направлению. Статическая реакция опоры равна статическому весу тела.

Реакции опоры уравновешивают при отталкивании те мышечные усилия, которые приложены к лыжам и к палкам. На хорошо подготовленной лыжне ее поверхность противостоит усилиям лыжника при отталкивании к лыже; поэтому лыжа не проваливается в снег. То же происходит во время отталкивания лыжника на трамплине. Если же снег на лыжне или трамплине не уплотнен, то лыжи вдавливаются в снег, что отрицательно сказывается на эффективности отталкивания.

5. Сила сопротивления воздуха.

Сила сопротивления воздуха возникает при относительном движении лыжника и воздуха.

Лыжник во время движения, встречает лобовое сопротивление трения между его телом и воздухом. При сильном попутном ветре, когда скорость воздуха V1 выше, чем скорость лыжника V2,поток воздуха служит уже не тормозящей, а движущей силой.

При движении на лыжах против ветра я ощущала сопротивление воздуха (рис.6).

При попутном ветре скорость движения была выше и двигаться было гораздо легче (рис.7).

Рис.6 Рис.7

При продвижении попеременным ходом общий центр тяжести (ОЦТ) спортсмена оказывается смещенным вперед.

Полезное использование сопротивления воздуха более всего существенно в прыжках на лыжах. Лыжник, изменяя позу тела в полете, уменьшает лобовое сопротивление и увеличивает подъемную силу.

Вредное влияние сил сопротивления воздуха проявляется при движении лыжника против потока воздуха. Здесь необходимы меры, снижающие сопротивление воздуха. Так, если лыжник на спуске сменит высокую стойку на низкую, лобовое сопротивление уменьшится почти в 3 раза. Если скорость попутного ветра равна скорости лыжника, то сопротивление воздуха исчезает.

6. Центробежная сила

Центробежная сила действует при движении лыжника, проходящего поворот, и направлена от центра крутизны дуги поворота. Эта сила пытается опрокинуть лыжника наружу поворота. Для сохранения равновесия лыжник наклоняется внутрь дуги поворота, угол наклона зависит от скорости движения и радиуса дуги поворота. Лыжник регулирует сам наклон своего тела для поддержания равновесия.

Центробежная сила (ЦБС) зависит от радиуса поворота (чем поворот круче, т.е. радиус меньше, тем ЦБС больше) и от скорости движения в повороте (чем скорость больше, тем ЦБС больше).

Fц = m V2 / R

При повороте лыжник совершает сложное движение. Это движение центра масс лыжника по криволинейной траектории и поворот самого лыжника вокруг своего центра масс.

Силы, которые вызывают движение центра масс лыжника по криволинейной траектории, образуются при взаимодействии лыж со снегом, и их равнодействующая Fсум приложена к лыжам и направлена через центр масс лыжника. Линия действия суммарной силы Fсум смещается в сторону внешней ноги, восстанавливаются условия равновесия лыжника. И лыжи уже прижимаются к склону суммарной силой, которая не только больше по величине силы веса, но и направлена практически в сторону лыж. (рис.8).

При возникновении центробежной силы начинается поворот. Поворот продолжается, пока существует центробежная сила. При исчезновении центробежной силы поворот заканчивается.

В процессе поворота угол между составляющей силы тяжести и центробежной силой изменяется. Если в начале дуги они взаимно почти уравновешиваются, то с выходом на линию ската, и особенно во второй половине дуги, эти силы вызывают боковой снос. (рис.9).

Рис.8 Рис.9

Техника преодоления подъемов

Выбор способа преодоления лыжни зависит от крутизны подъема, качества смазки лыж, тренирован­ности и технической подготовленности лыжника.

На дистанции лыжники используют скользящий, ступающий, беговой шаг, коньковый ход, при подъемах - «полу-ёлочкой», «елочкой», «лесенкой». При преодолении подъемов действует скатывающая сила, рассчитываемая по формуле

Fскат = mq sin a, где m массалыжника, a - крутизна подъема. (рис.10)

Рис.10

Идя на подъем крутизной 30°, я, имея массу 60 кг, должна преодолеть силу сопротивления движению (Fскат), равную 300 Н.

Fскат = 60 * 10sin 30° = 600 * ½ = 300Н.

На подъеме сила давления лыжника на опору меньше, чем на равнине, и определяется она по формулеN=mq*cos a

Чем круче подъем, тем меньше сила трения. При определенной крутизне лыжник вообще переходит на ступающий шаг. Поэтому с уменьшением си­лы трения лыж прочность сцепления лыж со снегом уменьшается и лыжнику становится труднее отталки­ваться ногами. Поэтому он укорачивает шаг, отталкивает­ся ногой под большим углом и энергичнее работает руками. (рис. 11,12)

При подъеме в гору с углом уклона ≈ 60° мне пришлось затратить больше сил, чем при подъеме в гору с уклоном ≈ в 30°. На крутом склоне ощущалось, что сцепление лыж со снегом значительно уменьшилось. То есть уменьшилась сила трения.

Рис.11 Рис.12

При одном и том же коэф­фициенте сцепления (Ксц) лыж со снегом угол окончания от­талкивания ногой возрастает на столько, на сколько увели­чивается крутизна подъема. Например, если на равнине лыжник может закончить отталкивание ногой под углом 65°, то на подъеме крутизной 5° мини­мальный угол отталкивания ногой будет 70°, на подъеме 10° - 75°.

Если крутизна подъема более 10°, лыжники переходят на способ подъема ступаю­щим шагом.

Крутые короткие подъемы (крутизной 15° и больше) лыжники преодолевают беговым шагом.

Подъем «елочкой» (рис.13) применяется при преодо­лении подъемов прямо. При этом способе подъема носки лыж разводятся в стороны в направлении движения.

Чем круче подъем, тем боль­ше разводятся носки лыж. При подъеме «елочкой» лыжи не скользят, а ноги и руки лыжника работают поочередно.

При преодолении подъемов наискось применяется подъем «полуелочкой» (рис.14). Лыжа, расположенная выше, скользит в направлении движе­ния, а носок нижней лыжи отво­дится в сторону. Угол постановки нижней лыжи зависит от крутизны подъема и условий скольжения. Руки лыжника работают поочередно.

Чтобы подняться «лесенкой» (рис.15), надо встать левым или правым боком к подъему, поставить лыжи на верхние канты и подни­маться приставными шагами. Если лыжник преодолевает подъем, повернувшись к нему правым боком, то он отталкива­ется левой рукой, одновременно разгибая левую ногу, а правую ногу отводит от левой. С поста­новкой правой лыжи и палки на снег левая нога приставляет­ся к правой и т. д.

Техника преодоления подъемов коньковыми способами (рис.16): одновременными одношажным, двухшажным и попеременным — основана на отталкивании скользящим упором.

Рис.13 (Подъем «елочкой») Рис.14 ( Подъем «полуелочкой»)

Рис.15 (Подъем «лесенкой») Рис.16 (Коньковый ход)

Динамика передвижения на лыжах

Передвигаясь по лыжне, лыжник отталкивается с помощью лыж и палок. На него действуют те же силы, что и на бегуна, и, кроме того, сила трения скольжения. Ее величина равна произведению коэффициента трения скольжения на нормальную (перпендикулярную к лыжне) составляющую силы давления лыжи на снег. Чем меньше коэффициент трения скольжения, тем длиннее шаг и выше скорость при тех же энергозатратах. Величина вертикальной составляющей силы отталкивания ногой колеблется в пределах 1100—1500 Н, а горизонтальной составляющей— 100—180 Н.

Сила отталкивания ногой мало различается в классических ходах (одновременном и попеременном). В коньковых способах передвижения сила отталкивания ногой составляет: под носким ботинком — 600 Н, под каблуком — 380 Н (вертикальная составляющая), горизонтальная составляющая— около 200 Н.

Движения центра масс

Центр масс тела - это область, где сосредоточена большая часть массы тела, он находится примерно в области таза или живота. Эта часть тела может эффективно выполнять большую часть работы в горных лыжах. В зависимости от того, как движется эта часть тела, зависит выполнение поворотов лыжника.

Лыжники не испытывают проблем с перемещением центра масс к центру поворота, когда поворот уже начат: это защитное движение, обеспечивающее безопасность. Когда лыжник перемещает центр масс в направлении центра поворота, он оказывается ближе к поверхности снега, и это положение кажется безопаснее. А вот другая часть движения, с которой бывают проблемы у многих лыжников: сместить центр масс из этого положения, позволить себе наклоняться наружу, через лыжи.

   

По мере того, как поворот развивается к точке максимальной закантовки, центр масс смещается ближе к центру поворота и ниже к поверхности снега.

Опрос учеников

В школе я решила провести опрос 17 учеников с целью узнать их мнение относительно влияния некоторых факторов на результаты лыжных гонок.

Было задано три вопроса. Ответы учеников – в таблицах №4, №5, №6 и диаграммах №2, №3 и №4.

Таблица №4

Вопрос 1

Количество учеников

Да

Нет

Затрудняюсь ответить

Влияет ли на качество скольжения лыж правильная подборка лыжной мази?

12

2

3

Диаграмма №2

Как видим из диаграммы №2, большинство опрошенных (12 из 17) считают, что использование лыжной мази, ее правильная подборка влияют на качество скольжения лыж.

Таблица №5

Вопрос 2

Количество учеников

Классическую

Коньковую

Не имеет значения

Какую технику передвижения на лыжах вы считаете наилучшей: классическую или коньковую?

7

6

4

Диаграмма №3

Во 2 вопросе предпочтения опрошенных разделились почти поровну. 7 из 17 учеников предпочитают классическую технику передвижения на лыжах, 6 – коньковую.

Таблица №6

Вопрос 3

Количество учеников

от 0° до -3°

от -3° до -10°

Не имеет значения

Как вы считаете, при какой температуре воздуха лыжи лучше скользят?

4

10

3

Диаграмма №4

При ответе на 3 вопрос большинство опрошенных (10 из 17) подтвердили наилучшее скольжение лыж при температуре от -3° до -10°.

Заключение

Итак, мы исследовали взаимосвязь физики с другими сторонами жизни, в данном случае спортом, а точнее, лыжным спортом. Путём наблюдения, экспериментов и математического расчёта мы выяснили, какие силы действуют на лыжника, как можно воздействовать на эти силы, как они могут помочь или препятствовать спортивным достижениям.

Была подтверждена гипотеза, что такие факторы, как состояние, рельеф трассы, перепад высот, погодные условия, лыжный инвентарь и качество его подготовки влияют на спортивный результат лыжника.

Список используемой литературы:

А.А.Пинский, О.Ф.Кабардин. Физика 10 класс, учебник для общеобразовательных организаций, углубленный уровень, 3 – е издание. – 2018. – 415 с.

Аленицын А.Г., Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Краткий физико-математический справочник. – 2005. -544 с.

Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений. – 5-е издание. – 1987. – 512с.

Суорц Кл. Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений: Пер. с англ.: В 2-х т.

Т. 1. – 1986. – 400с.

Шаскольская М.П., Эльцин Э.А. Элементарный учебник физики: В 3-х т./Под ред. Г.С. Ландсберга. – 2001.

Т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. – 10-е изд. – 1985. – 544с.

Журнал для учеников и учителей Потенциал. – 2005

Володин В. Энциклопедия для детей М.: Аванта +. – 2001

Просмотров работы: 974