Бобслей, санный спорт и скелетон — физика высоких скоростей

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 скрывается несколько концепций из физики. Именно то, как спортсмены реагируют на физику, в конечном итоге определяет самые быстрые результаты среди остальных.

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 перейдите на меньшую высоту, позволяя силе тяжести разогнать спортсменов до скоростей, приближающихся к 140 км/ч.

В этом году гонки проходят в Национальном центре санного спорта Яньцин. Длина трассы составляет примерно 1,6 км, перепад высот составляет 121 метр, причем самый крутой участок имеет невероятный уклон 18%, а сама трасса состоит из 16 поворотов.

Спортсмены в санном спорте достигают своей высокой скорости из-за преобразования потенциальной энергии гравитации 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 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.

Спортсмены имеют дело с большой кинетической энергией. Когда спортсмены входят в поворот со скоростью 130 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 1,6 км, и спортсмены преодолевают это расстояние примерно за минуту. Окончательное время рассчитывается путем сложения четырех заездов. Разница между золотой и серебряной медалью в мужском одиночном катании на зимних Олимпийских играх 2018 года составила всего 0,026 секунды. Даже крошечные ошибки, допущенные лучшими спортсменами мира, могут стоить медали.

Все спортсмены начинают с одинаковой высоты и спускаются по одной и той же дорожке. Таким образом, разница между золотом и серебром заключается не в гравитации и потенциальной энергии, а в быстром старте, максимальной аэродинамике и выборе кратчайшего пути по трассе.

В то время как гравитация 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, спортсмены, лежащие лицом вверх, лежат как можно ровнее. То же самое делают скелетонисты, смотрящие вниз. Будь то команда из двух или четырех человек, бобслеисты остаются плотно зажатыми внутри бобов, чтобы уменьшить площадь, доступную для воздействия 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.

Самый короткий путь к финишу

Помимо максимально возможной аэродинамики, другое важное различие между быстрым и медленным заездом заключается в пути, по которому гонщики идут. Если они минимизируют общий пробег своих саней и избегут зигзагов на трассе, гонщики преодолеют меньшее расстояние.

В дополнение к этому, сокращение пути означает меньшее сопротивление воздуха и меньшую потерю скорости из-за трения с трассой.

Болельщики часто упускают из виду тонкости, связанные с поворотами и рулевым управлением. Сани для всех соревнований стоят на стальных лезвиях, называемых полозьями.

В бобслее есть два комплекта полозьев, которые соприкасаются со льдом. Передний спортсмен тянет за кольца, прикрепленные к шкивам, которые управляют передними полозьями. Спортсмены на санях имеют изогнутые дуги спереди, где они помещают свои ноги. Двигая головой и плечами или сгибая ноги, спортсмены могут поворачивать сани.

У гонщиков-скелетонистов нет этих элементов управления, и они должны поворачивать сани, используя плечи и ноги, чтобы начать поворот. Даже крошечное движение головы может заставить сани сместиться с оптимальной траектории.

Все эти незаметные движения трудно увидеть по телевизору, но последствия могут быть большими — избыточная поворачиваемость может привести к столкновениям со стенкой или даже к авариям. Неправильное рулевое управление может привести к плохим поворотам, что может стоить потери времени.

Хотя может показаться, что спортсмены просто скользят по обледенелой трассе на больших скоростях после начала движения, на самом деле происходит гораздо больше действия. Приходится внимательно следить за спортсменами, чтобы обнаружить интересные принципы физики в действии.