Олимпийские прыгуны с трамплина делают все, что в их силах, противодействуют воздействию гравитации и летят как можно дальше вниз по склону
Если мы с тобой прыгнем в воздух как можно выше, мы сможем оторваться от земли примерно на полсекунды. Майкл Джордан мог оставаться в воздухе почти одну секунду. Хотя на зимних Олимпийских играх проводится много мероприятий, в которых спортсмены демонстрируют атлетизм и силу, находясь высоко в воздухе, ни одно из них не стирает грань между прыжками и полетом так сильно, как прыжки с трамплина.
Я преподаю студентам физику спорта. Прыжки с трамплина - это, пожалуй, одно из самых интригующих событий Зимних игр, демонстрирующих физику в действии. Победителем становится спортсмен, который проедет дальше всех и совершит полет и приземлится с лучшим стилем. Превратив свои лыжи и тело в то, что по сути является крылом, прыгуны с трамплина могут бороться с гравитацией и оставаться в воздухе в течение пяти-семи секунд, путешествуя по воздуху на длину футбольного поля. Так как же они это делают?
Как летать
В прыжках с трамплина задействованы три основных понятия физики: гравитация, подъемная сила и сопротивление.
Гравитация притягивает любой объект в полете к земле. Гравитация действует на все объекты одинаково, и спортсмены ничего не могут сделать, чтобы уменьшить ее влияние. Но спортсмены также взаимодействуют с воздухом во время движения. Именно это взаимодействие может создать подъемную силу, которая представляет собой восходящую силу, создаваемую воздухом, толкающим объект. Если сила, создаваемая подъемной силой, приблизительно уравновешивает силу тяжести, объект может скользить или летать.
Чтобы создать подъемную силу, объект должен двигаться. Когда объект движется в воздухе, его поверхность сталкивается с частицами воздуха и отталкивает эти частицы с пути объекта. Когда частицы воздуха толкаются вниз, объект выталкивается вверх в соответствии с Третьим законом движения Ньютона, который гласит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Частицы воздуха, толкающие объект вверх, создают подъемную силу. Увеличение скорости, а также увеличение площади поверхности увеличит подъемную силу. Угол атаки - угол наклона объекта относительно направления воздушного потока - также может влиять на подъемную силу. Слишком крутой объект остановится, слишком плоский объект не будет давить на частицы воздуха.
Хотя все это может показаться сложным, высовывание руки из окна автомобиля прекрасно иллюстрирует эти принципы. Если вы держите руку идеально плоской, она останется более или менее на месте. Однако, если вы наклоните руку так, чтобы нижняя часть была обращена к направлению ветра, ваша рука будет выталкиваться вверх, когда частицы воздуха сталкиваются с ней. Это лифт.
Те же столкновения между объектом и воздухом, которые создают подъемную силу, также вызывают сопротивление. Перетаскивание препятствует движению вперед любого объекта и замедляет его. С уменьшением скорости уменьшается и подъемная сила, что ограничивает продолжительность полета.
Для прыгунов с трамплина цель состоит в том, чтобы использовать правильное положение тела, чтобы максимизировать подъемную силу при максимальном снижении сопротивления.
Полеты на лыжах
Лыжники стартуют высоко на склоне, а затем катятся вниз, чтобы набрать скорость. Они минимизируют сопротивление, приседая и осторожно поворачивая, чтобы уменьшить трение между лыжами и рампой. К тому времени, как они дойдут до конца, они могут двигаться со скоростью 60 миль в час (96 км/ч).
Рапун заканчивается в точке взлета, которая, если присмотреться, на самом деле находится под небольшим углом вниз в 10 градусов. Непосредственно перед тем, как спортсмены достигают конца рампы, они прыгают. Склон для приземления на лыжах спроектирован так, чтобы имитировать путь, по которому пойдет прыгун, чтобы он никогда не находился выше 10-15 футов над землей.
Как только спортсмены оказываются в воздухе, начинается веселая физика.
Парашютисты делают все возможное, чтобы создать как можно большую подъемную силу при минимальном сопротивлении. Спортсмены никогда не смогут создать достаточную подъемную силу, чтобы полностью преодолеть гравитацию, но чем большую подъемную силу они создают, тем медленнее они будут падать и тем дальше вниз по склону они будут спускаться.
Для этого спортсмены выравнивают свои лыжи и тело почти параллельно земле и располагают лыжи в форме буквы V сразу за пределами формы тела. Это положение увеличивает площадь поверхности, создающей подъемную силу, и создает идеальный угол атаки, который также максимизирует подъемную силу.
По мере того как сопротивление снижает скорость лыжника, подъемная сила уменьшается, а сила тяжести продолжает тянуть прыгуна. Спортсмены будут падать все быстрее и быстрее, пока не приземлятся.
Правила следуют физике
С таким большим количеством физики, есть много способов, которыми ветер, выбор оборудования и даже собственные тела спортсменов могут повлиять на то, как далеко может зайти прыжок. Поэтому, чтобы все было честно и безопасно, существует множество правил.
Во время просмотра событий вы можете заметить, что официальные лица перемещают стартовую точку вверх или вниз по склону. Эта корректировка производится на основе скорости ветра, так как более сильный встречный ветер создаст большую подъемную силу и приведет к более длинным прыжкам, которые могут выйти за пределы безопасной зоны приземления.
Длина лыж также регламентирована и привязана к росту и весу лыжника. Лыжи могут составлять максимум 145 процентов от роста лыжника, а лыжники с индексом массы тела менее 21 должны иметь более короткие лыжи. Длинные лыжи не всегда лучшие, так как чем тяжелее лыжи, тем большую подъемную силу вам нужно создать, чтобы оставаться в воздухе. Наконец, лыжники должны носить обтягивающие костюмы, чтобы спортсмены не использовали свою одежду в качестве дополнительного источника подъемной силы.
Когда вы настраиваетесь на Олимпийские игры, чтобы поразиться физической силе спортсменов, найдите минутку, чтобы рассмотреть также их мастерство в концепциях физики.
Эми Поуп - старший преподаватель физики и астрономии в Университете Клемсона.