Одна тільки швидкість може бути фактором, який залучає багатьох любителів спорту до змагань з бобслею, санного спорту і скелетону на зимових Олімпійських іграх в Пекіні цього року. Але під захоплюючими спусками за звивистою, вкритою льодом трасі ховається кілька концепцій з фізики. Саме те, як спортсмени реагують на фізику, зрештою визначає найшвидші результати серед інших.
Гравітація та енергія
Гравітація - це те, що змушує сани рухатися обледенілими трасами в змаганнях з бобслею, санного спорту і скелетону. Загальна фізика проста: почніть з деякої висоти, а потім перейдіть на меншу висоту, дозволяючи силі тяжкості розігнати спортсменів до швидкостей, що наближаються до 140 км/год.
Цього року гонки проходять у Національному центрі санного спорту Яньцин. Довжина траси становить приблизно 1,6 км, перепад висот становить 121 метр, причому найкрутіша ділянка має неймовірний ухил 18%, а сама траса складається з 16 поворотів.
Спортсмени в санному спорті досягають своєї високої швидкості через перетворення потенційної енергії гравітації на кінетичну енергію. Гравітаційна потенційна енергія являє собою накопичену енергію і збільшується в міру того, як об'єкт піднімається далі від поверхні Землі.
Потенційна енергія перетворюється в іншу форму енергії, як тільки об'єкт починає падати. Кінетична енергія - це енергія руху. Причина, через яку м'яч розбиває скло при попаданні у вікно, полягає в тому, що м'яч передає свою кінетичну енергію склу. І гравітаційна потенційна енергія, і кінетична енергія збільшуються в міру збільшення ваги, а це означає, що в бобслейній команді з чотирьох чоловік енергії більше, ніж в санному спорті або скелетоні з однієї людини для даної швидкості.
Спортсмени мають справу з великою кінетичною енергією. Коли спортсмени входять в поворот зі швидкістю 130 км/год, вони відчувають прискорення, яке може в п'ять разів перевищувати нормальне гравітаційне прискорення. Хоча бобслей, санний спорт і скелетон можуть здатися легкими, насправді це зовсім не так.
Аеродинаміка
Довжина більшості трас становить близько 1,6 км, і спортсмени долають цю відстань приблизно за хвилину. Остаточний час розраховується шляхом складання чотирьох заїздів. Різниця між золотою і срібною медаллю в чоловічому одиночному катанні на зимових Олімпійських іграх 2018 року склала всього 0,026 секунди. Навіть крихітні помилки, допущені кращими спортсменами світу, можуть коштувати медалі.
Всі спортсмени починають з однакової висоти і спускаються по одній і тій же доріжці. Таким чином, різниця між золотом і сріблом полягає не в гравітації та потенційній енергії, а в швидкому старті, максимальній аеродинаміці та виборі найкоротшого шляху по трасі.
У той час як гравітація тягне спортсменів і їх сани вниз по схилу, вони постійно стикаються з частинками повітря, які створюють силу, звану опором повітря, яка відштовхує спортсменів і сани в напрямку, протилежному їх швидкості. Чим аеродинамічніший спортсмен чи команда, тим більша швидкість.
Щоб звести до мінімуму опір повітря, спортсмени, які лежать обличчям вгору, лежать якомога рівніше. Те саме роблять скелетоністи, які дивляться вниз. Будь то команда з двох або чотирьох осіб, бобслеїсти залишаються щільно затиснутими всередині бобів, щоб зменшити площу, доступну для впливу повітря.
Будь-які помилки в позиціонуванні тіла можуть зробити спортсменів менш аеродинамічними і привести до невеликого збільшення часу, який може коштувати їм медалі. І ці помилки важко виправити при великих прискореннях і силах.
Найкоротший шлях до фінішу
Крім максимально можливої аеродинаміки, інша важлива відмінність між швидким і повільним заїздом полягає в шляху, яким гонщики йдуть. Якщо вони мінімізують загальний пробіг своїх саней і уникнуть зигзагів на трасі, гонщики подолають меншу відстань.
На додаток до цього, скорочення шляху означає менший опір повітря і меншу втрату швидкості через тертя з трасою.
Вболівальники часто втрачають з уваги тонкощі, пов'язані з поворотами і керманичем. Сани для всіх змагань стоять на сталевих лезах, званих полозями.
У бобслеї є два комплекти полозів, які стикаються з льодом. Передній спортсмен тягне за кільця, прикріплені до шкивів, які керують передніми полозями. Спортсмени на санях мають вигнуті дуги спереду, де вони поміщають свої ноги. Рухаючи головою і плечима або згинаючи ноги, спортсмени можуть повертати сани.
У гонщиків-скелетоністів немає цих елементів управління, і вони повинні повертати сани, використовуючи плечі і ноги, щоб почати поворот. Навіть крихітний рух голови може змусити сани зміститися з оптимальної траєкторії.
Всі ці непомітні рухи важко побачити по телевізору, але наслідки можуть бути великими - надлишкова повертальність може призвести до зіткнень зі стінкою або навіть до аварій. Неправильне кермувальне управління може призвести до поганих поворотів, що може коштувати втрати часу.
Хоча може здатися, що спортсмени просто ковзають по обледенілій трасі на великих швидкостях після початку руху, насправді відбувається набагато більше дії. Доводиться уважно стежити за спортсменами, щоб виявити цікаві принципи фізики в дії.