Физика в зимних видах спорта.

Физика в зимних видах спорта.

Актуальность темы:

Цель :

Гипотеза:

Каждый спортсмен и каждый тренер в курсе того, что знание и применение законов физики на тренировках в дальнейшем позволяет достичь высоких спортивных достижений.

Заниматься им стало возможно после создания железных коньков с двумя ребрами. Но это было не то фигурное катание, к которому мы с вами привыкли. Спортсмены вычерчивали на льду различные фигуры, сохраняя при этом красивую позу.

Во время движения фигуриста, при соприкосновении конька со льдом возникает сила трения скольжения.
При соприкосновении одного тела с другим возникает взаимодействие, препятствующее их относительному движению, которое называют трением. А силу, характеризующую это взаимодействие, называют силой трения.

Физика является незаменимым другом фигуристов. В этом мы убедились, говоря о трении скольжения, выборе траектории движения, взаимодействия тел, первого закона Ньютона – закона инерции.

Хоккей всегда был захватывающе жесткой, быстрой игрой, в которой одинаково интересно быть и зрителем, и участником. Она зародилась на замерзших зимних озерах Канады. Но в настоящее время профессиональные хоккеисты играют в закрытых помещениях на искусственном льду.

Силовые приёмы - составная значимая часть хоккея. Они направлены на отбор шайбы у соперника.
В результате силовых приёмов игроки сталкиваются друг с другом и отскакивают в стороны в результате контакта. Спортсмен прикладывает силу своего тела к другому игроку и заставляет соперника двигаться в направлении приложенной силы.

Когда игрок ударяется о бортик, он отлетает о него обратно. Иногда игроки сталкиваются на льду на большой скорости и разлетаются в противоположные стороны.
За счёт специальной техники выполнения броска хоккеисты используют силу упругой деформации клюшки для придания шайбе дополнительного ускорения, которое подчиняется второму закону Ньютона.

Также в этом случае учитывается закон Гука об упругой деформации.
Сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходной положение, называется силой упругости.
Изменение длины тела при растяжении (или сжатии) прямо пропорционально модулю силы упругости.

Керлинг родился на замерзших озерах и болотах Шотландии XVI века, когда жители поселков и деревень коротали долгие зимние месяцы, пуская по льду сглаженные водой камни.

Когда-то простой вид спорта, которым занимались несколько шотландских иммигрантов в Канаде, керлинг стремительно набрал популярность после возвращения на Олимпийские игры в Нагано, Япония, в 1998 году. Он стал так популярен в Канаде, что сегодня там насчитывается более
500 000 людей, увлекающихся этим видом спорта.

Закон инерции: если тяжёлому камню, сделанному из отшлифованного гранита (m=19,96 кг) придать слишком большую скорость, он проскочит «дом», слишком низкую – не доедет (тело сохраняет скорость постоянной при отсутствии внешних воздействий);

Закон сохранения и превращения энергии: на идеально ровный лёд с помощью леек наносят слой ровных капелек, одинаковых по высоте. Натирая щеткой с ворсом поверхность, спортсмены подтапливают лёд, создавая водяную смазку для того, чтобы камень проехал еще несколько сантиметров по нужной траектории (механическая энергия превращается во внутреннюю);

Законы трения: одна подошва ботинок спортсменов скользкая (слайдер), вторая не скользит (антислайдер) (сила трения зависит от конкретных материалов взаимодействующих тел или от коэффициента трения скольжения μ).

А также спортсменам не нужно забывать способ теплопередачи – теплопроводность, т.к. игра происходит на льду: ботинки в первую очередь должны сохранять тепло благодаря внутреннему войлоку – материалу, содержащему воздух. Воздух – плохой проводник тепла.

Бобслей появился благодаря английскому туристу Уилсону Смиту, который в 1888 году соединил между собой двое саней и доску, на получившихся санях он спустился из Санкт-Морица в коммуну Челерина. К концу века был создан первый бобслейный клуб и разработаны первые правила. В 1903 году в Санкт-Морице была построена первая в мире бобслейная трасса, протяженностью около 1500 км и сконструированы особые сани, которые получили название – «боб». 

В 1923 году была сформирована Международная Федерация бобслея и скелетона (FIBT), которая по сей день занимается развитием этого вида спорта. Чемпионаты мира по бобслею проводятся с 1924 года, в этом же году бобслей был включен в программу Олимпийских игр.

До сих пор не ясно кто изобрел шорт-трек. За право называться основателем данного вида спорта борются канадцы и англичане. Точно известно, что первые соревнования прошли в Канаде в 1905 году, а в Англии только в 1914 году. В 1915 году состоялся первый международный турнир с участием, в котором приняли участие спортсмены из США и Канады.

В 1967 году шорт-трек приняли в состав Международного союза конькобежцев (ISU). В этом же году в США состоялся первый Чемпионат мира по шорт-треку. В 1975 году ИСУ принял решение о создании Технического Комитета по шорт-треку. Первый чемпионат Европы прошёл в 1997 году в Мальме (Швеция). В 1992 году шорт-трек был включен в программу Олимпийских игр в Альбервилле. 

Во время бега на коньках конькобежец сталкивается со следующими проявлениями основных элементов физики: сила сопротивления воздуха, сила трения скольжения, сила тяжести, инерция. Все эти физические понятия нужно знать для успешного разгона общего центра масс конькобежца после старта, для совершения ускорения по ходу бега. Особенно сильно проявляется при поворотах центробежная сила, поэтому необходимо верно выбрать наклон.

Для таких скоростных видов спорта важно правильно финишировать, т.к. победу часто определяют десятые, а на коротких дистанциях сотые и тысячные доли секунды. Фотофиниш представляет собой использование цифрового, фотоэлектрического (явление фотоэффекта) устройства. При пересечении луча фиксируется результат забега по электронному секундомеру, а цифровая камера делает видеосъёмку финиша спортсменов.

6. Лыжные гонки

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.

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

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. При действии лыжи на снег по касательной к его поверхности сила трения направлена по равнине вдоль лыжи

Сила тяжести

Сила тяжести тела лыжника направлена отвесно и приложена к общему центру тяжести (ОЦТ). Fт тела лыжника на равнине прижимает лыжи к снегу.
На склонах она раскладывается на составляющие: перпендикулярную к склону PN (силу давления) и на параллельном склоне (касательную) PQ. Они меняют свою величину с изменением крутизны склона. С увеличением крутизны нормальная составляющая уменьшается, а касательная увеличивается.

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 = m*a

В результате наблюдения за результатами ходьбы по лыжной трассе и спусков с горы на лыжах можно сказать, что:
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.

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.

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.

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.

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).

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.

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. 

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.

9. Биатлон

Биатлон - зимний вид спорта, двоеборье, состоящее из лыжных гонок со стрельбой на нескольких огневых рубежах лежа и стоя из малокалиберной винтовки. Кроме бега на лыжах биатлонисту нужно еще метко стрелять. 

Поэтому он должен знать, как летит выпущенная им пуля и что с ней происходит в полете. Пуля при движении в воздухе подвергается действию силы тяжести и силы сопротивления воздуха. Действие силы тяжести направлено вниз. Действие силы сопротивления воздуха направлено навстречу движения пули: оно заставляет ее непрерывно терять скорость полета. В результате этого пуля, выброшенная из канала ствола, летит по кривой, неравномерно изогнутой линии.

Прародителем биатлона принято считать охоту на лыжах, распространенную у многих северных народов. Данный факт подтверждают наскальные изображения возрастом 5000 лет найденные в Норвегии.

Впервые, в 1767 году, пограничники на шведско-норвежской границе устроили соревнования, отдаленно напоминающие биатлон. Участники, спускаясь со склона средней крутизны, должны были попасть из ружья в конкретную мишень на расстоянии 40-50 шагов. 

На Зимних Олимпийских Играх в Шамони в 1924 году провели первые в истории «соревнования военных патрулей» – вид спорта очень похожий на современный биатлон.

В 1954 году Международный олимпийский комитет официально признал биатлон видом спорта, а 17 ноября 1956 года Международной федерацией современного пятиборья были одобрены правила проведения современных биатлонных соревнований.

Мишень для биатлона представляет собой чёрный круг в углублении пластины, диаметром 115 мм. При стрельбе стоя засчитывается попадание в любую зону кружка, а при стрельбе лёжа — только в чёрный круг диаметром 45 мм, центр которого совпадает с центром круга 115 мм.

Вопросы по рассмотренному материалу.

Вопрос 1: Знаете ли вы какие-нибудь физические явления, которые чаще всего встречаются в зимних видах спорта?

Вопрос 2. Как ты думаешь, в каких двух зимних видах спорта спортсменам помогает физика больше в достижении высоких результатов?

Заключение

В заключении приведем слова французского спортивного и общественного деятеля, историка, педагога, литератора Пьера Де Кубертена «О спорт – ты жизнь». Он был не просто спортивным и общественным деятелем. Именно он организовал современные Олимпийские игры, за которыми мир, затаив дыхание, наблюдает по сей день. Не удивительно, что для де Кубертена спорт был целым миром. С ним согласятся и олимпийские атлеты.

Кстати, девиз олимпийцев «Главное не победа, а участие» также принадлежит этому знаменитому французу. Этот девиз является актуальным, его придерживается современная молодежь.
Если использовать знания, полученные на уроках физики, то можно легко объяснить любые физические явления, проявляемые в зимних видах спорта, и успешно применить их в спортивных соревнованиях.

Сила тяжести, сила давления, сила скольжения, сила сопротивления воздуха.

Хоккей, фигурное катание.

3. Чаще всего второй закон Ньютона.

4. Нет. ПОТОМУ ЧТО спорт без физики бессилен. Ведь чтобы правильно бегать, научиться плавать и прыгать также используют законы физики.