Проект "Олимпийские рекорды и физика"

Муниципальное общеобразовательное учреждение            «Средняя общеобразовательная школа №4» г. Краснослободска ПРОЕКТ «Олимпийские рекорды и физика» Участники проекта: Булькин Владимир, 9Б класс, Кударова Ангелина, 9Б класс, Фаткулин Рафкат, 9Б класс, Секерина Мария, 9А класс, Бедросьян Ксения, 9А класс, Шведова Ирина, 9А класс                                     Руководители: Петрова Марина Александровна, Блинкова Людмила Александровна,                                                                         Лабутова Людмила Владимировна. I. Актуальность  проекта удовольствие. Наука – это спорт, гимнастика ума,  доставляющая мне Альберт Эйнштейн 2014 год является значимым для нашей страны в связи с проведением зимней   олимпиады   на   территории   нашей   страны.  Citius,  altius,  fortius! ( Быстрее, выше, сильнее!). – Эти три латинских слова, ставшие спортивным девизом,  выбиты   на  олимпийских   медалях.  Однако   на   пути   к   спортивным достижениям   и   к   олимпийскому   золоту   стоят   преграды,   обуславливаемые проявлением тех или иных физических явлений и закономерностей. С другой стороны,   правильное   использование   соответствующих   физических   законов может помочь спортсмену в достижении успеха. Каждый  из  нас знает, какое важное  место занимает  в  жизни человека спорт.   Но   далеко   не   все   задумывались   над   вопросом,   какова   связь   между спортом   и   физикой,   как   развитие   физической   науки   влияет   на совершенствование   спортивных   достижений.   Нет,   спорт   без   науки   и,   в частности, без физики бессилен.  Все волнуются за наших спортсменов, желая им победы во всех дисциплинах.  Чтобы добиться самых лучших результатов спортсмены много тренируются.  Но не только хорошая физическая подготовка играет важную роль в  получении высоких результатов, но и такая наука как физика помогает   олимпийцам и всем членам команды, работающих на высокий результат нашей сборной. Как? В этом мы и решили разобраться с целью популяризации не  только спорта, но и такой  необходимой науки как физика. Данный материал  является обязательным для изучения и задания по этим темам часто  встречаются на государственной итоговой аттестации в 9 и 11 классах.  Актуальность темы ещё заключается и в том, что она связывает теорию с  практикой, даёт возможность объяснить с помощью физической теории  реальные явления. Например, как развитие физической науки влияет на  совершенствование спортивных достижений? Проведённый социологический  опрос среди учащихся  позволил нам узнать,  как учащиеся среднего и старшего звеньев думают о проблеме взаимосвязи  спорта и физики. Мы получили следующие результаты. 6% 32% 62% от 5 до 8 от 9 до 12 более12 10% 36% 54% да не знаю нет Анализ анкет показал, что большинство учащихся   не знают о влиянии физики на достижение спортивных рекордов. Таким образом, мы убедились в том, что не зря выбрали темой нашего проекта  проблему научного влияния на  спортивные достижения. II. Основные приоритеты Цели проекта. ­Выяснить, как знание законов физики помогает спортсменам и их тренерам добиваться высоких результатов на соревнованиях. ­Популяризировать изучение физики среди учащихся школы. Задачи проекта. ­проанализировать   с   точки   зрения   физики   основные   дисциплины   зимних олимпийских   игр,   таких   как,   лыжный   спорт,   прыжки   с   трамплинов, конькобежный спорт, фигурное катание. ­научиться применять законы динамики (законы Ньютона, законы сохранения импульса   и   энергии)   при   решении   соответствующих   задач   спортивного содержания. ­ повышать уровень коммуникативной  культуры подростков. Что нужно знать и уметь,  чтобы достичь целей е е ш ш н н о о г г о о     п п у у б б л л и и ч ч н н о о г г о о     в в й й ы ы с с т т у у п п л л р р а а б б о о е е т т н н и и ы ы ь ь н н о о п п З т п п п п п п н ь в в и и и и и и а а в в в в в в а а а а а а и и л л л л л л р р р р р р р р с с а а а р р о о п п з з л л а а а а а а             у у п п с с с с а а м м о о с с т т о о о о в в е е д д е е н н и и я я     с с д д а а н н и и я я     п п р р е е я я з з т т е е о о ц ц и и о о е е н н т т л л а а л л о о г г и и ч ч е е с с к к о о г г о о     о о п п р р о о ц ц и и й й я я с с с с р р а а з з л л и и ч ч н н ы ы м м и и и и с с т т о о ч ч н н и и к к а а м м и и а а и с п о л ь з о в а т ь   с е т ь   и н т е р н е т   и   д р .   и с т о ч н и к и ,   ч т о б ы   н а х о д и т ь ,   а н а л и з и р о в а т ь   и   о б о б щ а т ь   н у ж н у ю   и н ф о р м а ц и ю ;   ф о р м у л и р о в а т ь   в ы в о д ы и с п о л ь з о в а т ь   с е т ь   и н т е р н е т   и   д р .   и с т о ч н и к и ,   ч т о б ы   н а х о д и т ь ,   а н а л и з и р о в а т ь   и   о б о б щ а т ь   н у ж н у ю   и н ф о р м а ц и ю ;   ф о р м у л и р о в а т ь   в ы в о д ы У м е т ь П р е д с т а в л я т ь   р е з у л ь т а т ы   с в о е й   р а б о т ы П р е д с т а в л я т ь   р е з у л ь т а т ы   с в о е й   р а б о т ы р а б о т а т ь   в   р а з л и ч н ы х   к о м п ь ю т е р н ы х   п р о г р а м м а х   W o r d ,   P o w e r   P o i n t ,   P u b l i s h e r ,   E x c e l р а б о т а т ь   в   р а з л и ч н ы х   к о м п ь ю т е р н ы х   п р о г р а м м а х   W o r d ,   P o w e r   P o i n t ,   P u b l i s h e r ,   E x c e l р а б о т а т ь   в   г р у п п а х   ( п л а н и р о в а н и е   и   р а с п р е д е л е н и е   о б я з а н н о с т е й ,   в з а и м о д е й с т в и е   и   в з а и м о п о м о щ ь )   р а б о т а т ь   в   г р у п п а х   ( п л а н и р о в а н и е   и   р а с п р е д е л е н и е   о б я з а н н о с т е й ,   в з а и м о д е й с т в и е   и   в з а и м о п о м о щ ь )   Ожидаемые результаты проекта Участники проекта проведут социологические исследования, поиск и анализ  информации по теме, решат физические задачи, сформулируют выводы и  собственную точку зрения по проблеме проекта. Итоги работы будут  представлены в различных формах: презентации, фотоотчёт, памятки,  публичные выступления по теме. По окончании работы каждый участник  заполнит лист впечатлений или напишет эссе по теме проекта. Проект  обратит внимание учащихся на практическое применение науки физики для  достижения спортивных результатов. классные часы мультимедиа презентации В какой форме можно представить результаты исследования? фотоотчёт сборник олимпийских физических задач Планирование проектной деятельности. Сроки реализации проекта. Декабрь 2013 года – февраль 2014 года. 1 этап: 1-10 декабря 2013 года. С помощью анкетирования изучить уровень осведомленности учащихся о видах соревнований в XXII зимней олимпиаде, которая будет проходить в г. Сочи. Выяснить, мнения учащихся о роли науки физики в олимпийских достижениях спортсменов. 2 этап: 11- 30 декабря 2013 года - сбор информации о физике зимних видов спорта. 3 этап: январь 2014 года – решение физических задач спортивного характера, с использованием законов механики и аэродинамики. 4 этап: 1-7 февраля 2014 года - оформление результатов работы. 5 этап: февраль 2014 года – выступление участников проекта перед учащимися школы с результатами работы III. Основное содержание На суше, и в воде, На другой планете - курсы физики везде Изучайте, дети! Ах, как физика сложна, Не сказать словами! Но зато всегда она Будет рядом с вами. Тихо смотрят сверху вниз На портретах лица: Ты старайся, не ленись, В жизни пригодится! Если пальцем проводок Оголённый трону, Сразу вспомню я про ток И законы Ома, Если влепится снаряд Прямо мне в телегу, Рассчитаю скорость я И длину пробега! Если с башни навернусь Или с самолёта, Свою скорость наизусть Вычислю в полёте! И на суше, и в воде, На другой планете - Курсы физики везде Изучайте, дети! I  Физика в лыжном спорте     Лыжный спорт — один из наиболее распространенных зимних видов спорта. Лыжный   спорт   включает   лыжные   гонки,   прыжки   с   трамплина,   двоеборье (лыжные гонки и прыжки), спуск с гор по специальным трассам — слалом, слалом­гигант и скоростной спуск, биатлон (лыжные гонки со стрельбой из винтовки). Развиваются как виды лыжного спорта полёты на лыжах и спуск на лыжах на скорость по специальной прямой трассе. Взглянем на лыжный спорт с точки зрения механики. Проанализируем, какие физические   факторы   должен   учитывать   лыжник,   чтобы   добиться   самых высоких результатов на Олимпиаде в г. Сочи. Немногие  задумываются над тем, на каких законах физики основывается тот  или иной вид лыжного спорта. А знание этих законов может очень сильно  помочь спортсменам, в улучшение их результатов. Рассмотрим с точки зрения физики простейший случай: лыжник скользит по  склону. Выясним, какие силы действуют на лыжника, мчащегося по уклону  горы.  Во время скольжения по склону, источником движения является сила  тяжести  лыжника, а точнее её составляющая направленная параллельная  склону.  Приложена эта сила к центру тяжести лыжника. Величина ее тем  больше, чем круче склон, по которому движется лыжник. Тормозят лыжника  сила трения, возникающая при движении лыж по снегу,  и сила сопротивление  встречного потока воздуха, приложенная в центре сопротивления  тела  лыжника воздушному потоку. В начале движения лыжника по склону,  сопротивление воздуха незначительно, но с возрастанием скорости возрастает  и сопротивление.  Сила сопротивления растет пропорционально квадрату  скорости движения лыжника, площади проекции тела на плоскость,  перпендикулярную направлению скорости, и аэродинамическому  коэффициенту «лобового сопротивления» Когда силы, которые тормозят  лыжника, уравновесятся с составляющей силы тяжести, движущей лыжника,  его скорость станет постоянной. Для  уменьшения силы сопротивления воздуха, спортсмены одеваются в  одежду, максимально обтягивающую тело, а также прибегают к более низким  стойкам или стойкам с большим наклоном туловища.  Метеоусловия.  Свои   требования   предъявляют   метеоусловия   и   качество снега. Поэтому буквально перед самым стартом будущий чемпион решает, какие   из   подготовленных   накануне   лыж   послужат   ему   сегодня.   Если горнолыжный склон обледенелый, то необходимо лучше наточить канты, чтоб не соскальзывать  на склоне. А свежий снег в солнечную погоду может на время   и   ослепить,   поэтому   лыжникам   необходимы   защитные   очки.   А   от температуры зависит выбор лыжной мази. Лыжные мази классифицируются на грунтовые, держащие и скользящие лыжные мази. При выборе лыжных мазей необходимо учитывать температуру и влажность воздуха, и состояние снега. Держащие лыжные мази делятся на твердые, полутвердые и жидкие. Твердые мази применяются при минусовых температурах, полутвердые — при нулевой и жидкие — при плюсовой температуре, гололеде и насте. Сопротивление   воздуха.  Сила   сопротивления   воздуха   возникает   при относительном   движении   лыжника   и   воздуха.   Она   зависит   в   основном   от сопротивления формы тела и сопротивления трения между телом и воздухом. Вредное   влияние   сил   сопротивления   воздуха   всегда   проявляется   при движении   лыжника   против   потока   воздуха.   Однако,   когда   поверхность движущихся   частей   тела   невелика   или   скорости   малы   (например,   рывок туловищем вверх при отталкивании ногой), сопротивление воздуха ничтожно. Более   всего   оно   сказывается   при   больших   скоростях.   Здесь   необходимы меры,   снижающие   сопротивление   воздуха.   Для   лыжника   необходим специальный  костюм. Также, если лыжник на спуске сменит высокую стойку на низкую, лобовое сопротивление уменьшится почти в 3 раза. Этой же цели служит аэродинамическая обтекаемая стойка в скоростном спуске. Если же попутный   ветер   имеет   скорость,   одинаковую   со   скоростью   лыжника,   то сопротивление   воздуха   исчезает.   При   сильном   попутном   ветре   (скорость воздуха больше, чем лыжника) поток воздуха служит уже не тормозящей, а движущей силой. Важно не только принять и сохранить правильную стойку, но и подобрать материал и хорошо сшить из него комбинезон, он может быть более или менее обтекаемым. Экипировка и снаряжение. Лыжнику важно правильно выбрать подходящее снаряжение и экипировку, оценить роль аэродинамики и действующих сил, а также насколько погодные условия влияют на выбор экипировки и снаряжения.  Лыжников   порой   обдувают   в   аэродинамических   трубах,   чтоб   понять поведение экипировки, и чтобы они поняли, как лучше вести себя в ситуации со встречным ветром. А изогнутые палки позволяют принять более выгодную стойку. Совершенствованием инвентаря идет бок о бок  с развитием горного спорта. Для того чтобы «быстро бегать», лыжи должны не только хорошо скользить, но и как можно крепче держаться за склон, не соскальзывать в поперечном   направлении.   У   лыж   для   лучшего   сцепления   со   снегом, скользящая поверхность имеет металлические канты, и при повороте лыжи «кантуют»­ спортсмен наклоняет лыжи «на ребро», так чтоб они зацепились за снег   кантами.   Однако   дело   не   только   в   этом.   Соскальзывание   является основной   причиной   потери   скорости   (драгоценная   энергия   расходуется   на «сгребание» снега со склона). Если спортсмена «потащило на повороте», это сразу же зафиксирует секундомер. Отсюда стремление поставить лыжу как, можно   круче   к   склону   и   врезаться   кантами   в   снег.   Сейчас   изготавливают жесткие и высокие пластиковые ботинки, которые передают усилие прямо от голени к лыже и позволяют хорошо её закантовывать. А сама лыжа — мягкая, она изгибается по дуге и выписывает поворот, оставляя узкий «резаный» след. Чтобы лыжа легко принимала форму дуги, середине, где давит ботинок, ее делают   немного   уже,   чем   с   концов.   При   кантовании   сцепление   со   снегом оказывается максимальным на концах, и давление посередине прогибает лыжу нужным образом. Поведение на поворотах. Центробежная   сила   —   это   сила   инерции,   вводится   во   вращающейся системе и направлена от оси вращения. Fцб =   mv2 r где m­масса, r­ радиус дуги, U­ скорость. Существуют разные формулировки этого понятия. Эту силу называют инерцией. Она обнаруживается всякий раз, когда тело движется по круговому пути. Это один из случаев проявления инерции — стремления движущегося предмета сохранять направление и скорость своего движения.  Чтобы   лыжника,  который   проходит   крутой   участок   пути,  не   потащило   на повороте, необходимо поставить лыжи как можно круче с линии склона. В противном случае он просто не пройдет в крутой поворот. Поворот   —   это   сознательное   изменение   траектории   движения,   путем целенаправленного   взаимодействия   со   снежным   склоном   под   действием   Чтоб   развернуться   лыжник   будет постоянной   силы   тяжести. взаимодействовать   с   внешними   силами:   это   реакция   опоры,   сила сопротивления воздушной среды.  Лыжнику необходимо умело использовать физическую тягу мышц и деформацию лыж.  Жесткость лыжи определяется двумя параметрами: продольной жесткостью (способность   изгибаться   в   продольном   направлении)   и   торсионной жесткостью (жесткость на скручивание). От продольной жесткости зависит реакция лыжи на давление веса лыжника. Чем более мягкая лыжа, тем проще войти в поворот. Жесткие лыжи потребуют больше усилий и умения. Чем выше жесткость на скручивание, тем лучше лыжи держатся на льду и жестком склоне. Лыжник на повороте испытывает большую нагрузку. Суммарная перегрузка превышает 2g, то есть примерно равна удвоенному весу лыжника. Причем падает она в основном на «внешнею» ногу (попытка встать на внутреннюю лыжу,   обычно   заканчивается   падением).   Спортсмену     предстоит   найти оптимальную   траекторию.   Вид   оптимальной   траектории   определяется сочетанием целого ряда факторов. Прежде всего, желательно пройти трассу кратчайшим путем, как можно меньше уклоняясь от линии склона (рис.1). При этом  выигрыш получается  не только из­за сокращения расстояния, но и за   счет   увеличения   средней   крутизны   маршрута   –   чем   круче   склон,   тем больше   скатывающая   сила   и   тем   меньше   сила   трения.   В   то   время   как идеальная линия уже обозначена флажками, слаломисты стараются идти как можно ближе к флагам, отбивая их плечом и корпусом. Рис.1   Варианты  выбора  маршрута  на  трассе  слалома.   Пунктиром  выделенная   кривая  – оптимальная траектория. Можно   оценить   потерю   времени   вследствие   удлинения   пути.   Пусть отклонение от оптимальной кривой составляет всего лишь ± 0,5 м. Того же порядка будет удлинение каждой из образующих ее дуг. На слаломной трассе из   50   ворот   при   средней   скорости   20м/с   проигрыш   окажется   вполне ощутимым, по формуле для нахождения времени посчитаем: К каждому повороту прибавиться по 0,5 м, поворотов 50.  S=50 • 0,5м =25 м U=10 м/с. (50×0,1м) 10м/сек  1,25 с t = Проигрыш оказывается ощутимым.  Также нельзя спрямлять участки пути, между флагами. Во — первых, при этом придется сбрасывать скорость, чтоб вписаться в крутой поворот, во­ вторых, путь по прямой не всегда быстрее. Ведь тело начинает движение с более   крутого   участка   пути,   и   получив   большое   ускорение   начинает движение. Путь по дуге длиннее, он начинается с более крутого участка. С этой   точки   зрения   траектория,   составленная   из   плавно   сопряженных   дуг, также оказывается лучше, чем та, где прямые участки с резкие поворотами. Итак, чтоб преодолеть  действие центробежной силы  и не потерять время из­ за заносов, лыжник должен поставить лыжи как можно круче к склону,  врезаться кантами в снег. Также ему не следует спрямлять участки пути, так­ так въехать в крутой поворот будет сложнее, придется сбрасывать скорость.  Нужно идти ближе к флажкам, составляя дистанцию из плавно сопряженных  дуг.  Несколько слов о технике преодоления подъемов. Как видно из рисунка, в  зависимости от крутизны подъема у лыжников существуют и разные способы  их преодоления: ­ступающий шаг если крутизна подъема менее 15° ­полуелочкой – до 25°; ­елочкой – до 30°; ­лесенкой –круче 35°­ 40°. Только при качественном полном анализе какой­либо спортивной дисциплины можно добиться хороших результатов. II Прыжки с трамплина. Прыжки на лыжах с трамплина входят в программу Олимпийских игр  с 1924 года, когда в Шамони состоялись первые в мировой истории  Олимпийские зимние игры. Прыжки с большого трамплина были включены  в программу олимпийских соревнований в 1964 году на Играх в Инсбруке. В Сочи впервые в программу Олимпийских зимних игр войдут соревнования в прыжках на лыжах с трамплина среди женщин. Одним из самых захватывающих видов лыжного спорта, являются  прыжки с трамплина. Основной нашей задачей было проанализировать с физической точки зрения  факторы, влияющие на успех спортсмена.   Задача: Выяснить, от чего зависит дальность полёта лыжника. Мы  выдвинул гипотезу, что дальность полёта зависит от скорости лыжника  на разгоне, от сопротивления воздуха, массы спортсмена, смазки лыж.  Траекторию движения  разобъём на 2 части: первая – разгон на трамплине,  вторая – полёт лыжника –физически­  это его свободное падение, h–высота  точки в момент  отрыва от трамплина. 1.При разгоне на трамплина начальная скорость   зависит от толчка лыжника,  а в конце трамплина его скорость обозначим Vx, H – высота трамплина, за 0  уровень примем горизонталь проходящую в точке отрыва, S– дальность полёт. По закону сохранения полной механической энергии в замкнутой системе  ( сила трения и сила сопротивления воздуха не учитываются), потенциальная  энергия лыжника  в начале трамплина равна кинетической энергии в точке  отрыва от трамплина   mgH =  mv2 2  , следовательно Vx =  √2gH , это  скорость лыжника в момент отрыва. 2.Дальность полета лыжника зависит только от горизонтальной составляющей вектора скорости и рассчитывается по формуле S = Vx ∙ t Время свободного падения равна( t1 ) времени его движения в  горизонтальном направлении( t2 ),  t1=t2  =  √ 2h g , время зависит от h,  чем больше h от земли, тем дальше приземлится лыжник, следовательно S =  Vx∙  √ 2h g  =  √2gH  ∙  √ 2h g  =  √2H∙h Итак, как видно из формулы дальность полета зависит   от H высоты  трамплина  и h высоты точка отрыва над поверхностью  земли, но эти условия  у спортсменов одинаковы.  Так всё ­ таки почему разные спортсмены  показывают разные результаты.  Изучив подробнее эту дисциплину, мы  узнали, что прыжок делится на 4 фазы: разгон, где спортсмен за 5 секунд развивает огромную  скорость до 100 км\ч,  что составляет 27,7 м\с, точка отрыва, полет, приземление.  Судьи оценивают  спортсменов по этапам и затем складывают результаты. Чем мощнее трамплин, тем дальше полетит спортсмен. В Сочи комплекс  «Русские горки», которые построили для олимпиады, имеют трамплины  мощностью К 125 и К 95. Гора разгона заканчивается столом разгона под  углом 11°, что создает правильную траекторию полета. От стола отрыва и до  точки К и считается мощность трамплина.  В точке отрыва мышцы работают на взрыв ­ выталкивают спортсмена и вверх,  и вперед.  В момент отрыва спортсмен должен сохранить ту скорость, которая его разогнала до точки отрыва. Сила трения Fтр. играет  важную роль в соревнованиях. Лыжи перед гонками  покрывают несколькими  слоями парафина разного вида, при этом первый  слой уже стирается при разгоне.    Также лыжник должен добиться  максимальной обтекаемости,  чтобы силу сопротивления  Fсопр.  свести к минимому. Последнего он добивается за счёт максимально обтягивающего  кастюма, группировки тела.  Интересен тот факт, что  во время полёта  лыжник ставит лыжи латинской буквой V. Для чего это делается?  25 лет  назад лыжники во время полета располагали лыжи параллельно. Ян Боклев –  шведский спортсмен  произвел революцию в прыжках, когда развел лыжи во  время полета буквой V. Оказывается,  что в этом случае спортсмен "ложится" на воздушную подушку, лыжи не закрывают  тело спортсмена и подъёмная  сила возрастает, что приводит к увеличению дальности полета до 20%. Сейчас все спортсмены во время полета располагают лыжи буквой V. Главное не потерять координации, это грозит падением на бешеной скорости.  Но спортсмены  иногда допускают и ошибки. Например, они  немного  осаживаются назад, страхуются, что приводит к уменьшению  скорости.  Итак,  законы физики необходимо учитывать в лыжном спорте  и направлять  их на пользу спортсмену. III  Конькобежный спорт    Выясним физику  конькобежного спорта.   Соревнования в конькобежном спринте всегда чрезвычайно зрелищны.  Проявление сплава силы и красоты впечатляет. Спринт также весьма  интересен для изучения техники бега конькобежца.       Спортсменам этих видов спорта необходимо знать законы физики  связанные с характером взаимодействия конька со льдом, чтобы достичь  высоких результатов на олимпиаде. Они зависит от трех основных факторов:  силы трения, положения вектора силы тяжести тела относительно опорного  конька и сгибательно­разгибательных движений толчковой ноги.      Хорошая заточка лезвия конька особенно необходима, ведь без нее не  получится сделать безопасно быстрый поворот в сторону. Конькобежец  способствует повороту,  наклоняясь в его сторону, порой ниже 450. В этом  случае также «работают» законы механики. В спринте  каждое движение в целях удачного выполнения должно быть  хорошо осмыслено.  Частота движений Частота движений в спринте очень высока. Так как конькобежцы движутся  подобно маятнику, спринтеру нужно найти способ делать это как можно  быстрее.  Один из способов — работа двумя руками, для создания инерции. При быстрых движениях руками в стороны тело двигается быстрее, чем, когда  руки не используются. Движение рук в спринте столь важно, так как центр  массы имеет возможность смещаться достаточно далеко от толчкового конька спортсмена,  поскольку  его руки имеют массу, центр массы сдвинут  относительно торса. Большая часть работы производится во время  отталкивания. Эта работа производится мышцами, раскачивающими руки  конькобежца, а также мышцами ног.  Постановка стопы на лёд.    Понаблюдав за спринтерами высокого класса  можно увидеть, что они  склонны больше выносить стопу вперёд, чем стайеры. Некоторые тренеры  утверждают, что это полезно, поскольку задача спринтера максимально  быстро пройти в направлении финишной линии, и расстояние, преодолённое  за счёт любого способа, идёт только на пользу.     Однако, при столь высокой скорости, пронос любой отдельной части тела  вперёд, подразумевает задержку основной массы, соответственно, при этом  ничего не приобретается. Но почему тогда это работает? А причина в том, что вынося ногу вперёд,  удлиняется  фазу проката. Общая траектория движения  конькобежца относительно центра массы спринтера длиннее, поэтому  производимая работа может быть больше. Конькобежцы получают эффект  примерно на 5% больше, ставя ногу вперёд, относительно центра массы.  Повороты.    Важный  пункт, который интересен в технике спринтеров — это повороты.  Какими законами физики нужно оперировать, что бы понять, почему  некоторые конькобежцы не могут удержать внутренний поворот?  Прежде всего, следует отметить, что наиболее важны два элемента,  помогающие спортсмену пройти поворот.    Самое важное, что спортсмен разгибает обе ноги в одном направлении, и,  поскольку коньки движутся наружу, тело остаётся на траектории поворота.      Второй фактор, это надлежащий изгиб лезвия конька. В английском языке  это — рокер. Будучи выгнутым под поворот лезвие при постановке на лёд  начинает рисовать на нём кривую линию (дугу). Конёк частично помогает  конькобежцу оставаться на своей линии. При движении спортсмена по  повороту отсутствует фаза отталкивания,  что позволяет ему положить тело в поворот под максимально возможным углом.  Задача Скорость движения спринтеров на шорт­треках достигает порой 60  км/ ч. Как  же надо вести себя спортсмену на виражах, чтобы не упасть?  Как  рассчитать угол наклона конькобежца на поворотах?  Чему равен  коэффициент трения? Изобразим графически все силы действующие на спортсмена, в момент  прохождения им поворота на треке. На конькобежца действуют три силы: сила тяжести mg, сила реакции опоры ⃗Fтр  ,  которая препятствует скольжению конькобежца  ⃗N    и сила трения   в сторону противоположную закруглению,  и направлена по радиусу к центру.  Если бы конькобежец не наклонялся, то не было бы силы трения,  направленной к центру закругления и создающей центростремительное  ускорение и конькобежец не смог бы повернуть. ⃗Fр   силы реакции   Равнодействующая   определяет наклон конькобежца. Так как по вертикали конькобежец не имеет  ускорения и силы  ⃗Nи   m ⃗g  уравновешивают друг друга, то  ⃗N   и силы трения  ⃗Fтр     равнодействующая всех сил, действующих на конькобежца, равна   ⃗Fтр  .                                                                                                                          ⃗F  = Из чертежа находим модуль силы  Fтр=N∙ctgα.  Но   Fтр= μ∙N. Значит μ=  ctgα. По второму закону Ньютона    ⃗Fтр   = m ⃗a ,  где a= v2 r . Тогда Fтр= m  v2 r μ∙N = m  μ∙mg = m  v2 r v2 r v2 rg     μ =   Значит  ctg α =  v2 rg     Из формулы видно, что угол наклона конькобежца на поворотах зависит от  его скорости и от радиуса закругления дорожки. Например, если скорость лыжника на повороте 54 км ч , что соответствует 15 м с , а радиус закругления 25 м, то ctgα =  15 м 15м с с 25м∙10 м с2 =0,9.   Из таблицы  Брадиса находим  упасть конькобежцам разрешается касаться рукой льда.   =48°. Поэтому при прохождении поворота, чтобы не  α Кстати, конькобежцы имеют специальные перчатки, у которых на кончиках  пальцев есть специальные накладки уменьшающие силу трения в момент  касания рукой льда.   Конькобежные коньки Конькобежные коньки — коньки для конькобежного спорта, «клапы» —  представляют из себя низкий ботинок из многослойного углеволокна (карбон)  или стекловолокна, отделанный тонкой кожей, к которому крепится съёмная  система лезвий с шарниром в передней части и свободной подпружиненной  задней частью. Отличаются от остальных видов коньков большей длиной  лезвия, большим радиусом скругления лезвия, а самое главное тем, что это  единственные коньки с подвижным лезвием. Своё официальное название «клап» коньки получили за характерный звук, который издаёт лезвие, когда  после толчка спортсмена пружина возвращает его обратно к ботинку.  До середины 90­х годов прошлого века конькобежные коньки имели жёстко  зафиксированное к ботинку лезвие, так же как и у всех остальных коньков.  Коньки для шорт­трека — коньки для участия в соревнованиях по шорт­ треку, спортивной дисциплине, родственной конькобежному спорту. В  отличие от конькобежных коньков «клапов» эти коньки имеют неподвижное,  жёстко зафиксированное более короткое лезвие, установленное на ботинок с  некоторым смещением в сторону, для более быстрого прохождения поворотов на маленьком круге. Материал самого ботинка у шорт­трековых коньков  зачастую идентичен «клапам», но форма сильно отличается и рассчитана на  более агрессивное прохождение поворотов. У коньков для шорт­трека есть  боковая кривизна. Конькобежцы ощущают специфический эффект отталкивания, как только они начинают использовать клапы.   Использование механизма отстёгивания даёт наибольший   эффект   при   отталкивании.   В   итоге   скорость   конькобежца увеличивается. IV Фигурное катание. Фигурное катание – один из самых красивых и элегантных видов спорта. В фигурном катании много разных танцевальных и технических  элементов, которые невозможно выполнить без знания физики.  Но  поскольку в данном виде спорта много фигур,  опишем  лишь те  элементы, которые составляют основу фигурного катания: скольжение,  прыжок и вращение.  Скольжение Между лезвием конька и льдом при скольжении образуется пленка воды без которой  скольжение не возможно.  Коньки остро затачивают для  лучшего сцепления со льдом, а так же для увеличения давления на него.  Под давлением лед(при небольших температурах) плавится под  коньком, образуя смазку(жидкое трение), что, в свою очередь, еще  уменьшает трение скольжения. Лед плавится под давлением, потому что площадь лезвия конька маленькая, а значение веса (пропорциональное  массе фигуриста) большое.  За счет движения конькобежца по льду  возникают силы трения, причем механическая энергия сил трения  переходит во внутреннюю энергию льда. Также при скольжении по  гладкой поверхности участвует сила трения покоя, позволяющая  фигуристу отталкиваться от гладкой поверхности, когда он ставит  конек на ребро, или резко останавливается при постановке конька на  носок. При скольжении конька по гладкой поверхности, силы,  действующие на тело ­ сила тяжести и сила реакции опоры ­  скомпенсированы, следовательно, не мешают телу двигаться  равномерно.   Прыжок.  Поскольку физические характеристики в разных частях прыжка  непрерывно изменяются, то возможно разделение прыжка на периоды:  разбега, толчка, полета, приземления. Разбегаясь, фигурист сообщает телу горизонтальную скорость. В фазе ее приобретения спортсмен разбегается до скорости, необходимой для  выполнения прыжка, чтобы придать телу кинетическую энергию  поступательного движения. Для этого он делает перебежки вперед и  назад, шаговые комбинации, позволяющие достичь необходимой  скорости движения, которая должна быть достигнута до приближения к  предполагаемому месту прыжка. В фазе подготовки к толчку фигурист  прекращает увеличивать скорость движения, переходя к скольжению по  инерции, чтобы четко определить направление своего движения и,  исходя из этого, должным образом направить траекторию толчковой  дуги. Так как разбег скорости отдельных звеньев тела различны и по  величине, и по направлению, то чтобы обеспечить устойчивое  скольжение по толчковой дуге необходимо выровнять скорости  движения звеньев тела. Для этого фиксируют позу в фазе подготовки к  толчку. Период толчка. Характер перемещения звеньев тела в полете говорит о том, что  вращательное движение создается в толчке. От того, насколько  правильным был толчок, зависит высота и длительность прыжка, число  оборотов, устойчивость оси вращения. В полете тело фигуриста  вращается вокруг продольной оси тела. Поскольку в полете на  фигуриста действует лишь сила тяжести, момент которой  относительного основного цента тяжести тела равен нулю, сообщить  телу вращательное движение спортсмен может только в опорных  условиях, то есть  в толчке.  Период полета. Движение тела в полете при выполнении многооборотного прыжка  может быть рассмотрено как поступательное движение тела вместо с  осью вращения и вокруг этой оси. Приближая звенья тела к оси  вращения, фигурист в фазе группировки увеличивает приобретенную в толчке угловую скорость, чтобы за время полета совершить необходимое число оборотов. В фазе разгруппировки, удаляя звенья тела от оси вращения, он уменьшает угловую скорость, что бы предотвратить чрезмерное вращение тела вокруг продольной оси в момент приземления. Период приземления Сгибая опорную ногу, фигурист в фазе амортизации переходит к  скольжению по дуге так, чтобы погасить вертикальную скорость,  преобразовать остаточное вращение вокруг продольной оси в  скольжение по дуге приземления и не допустить чрезмерного  уменьшения горизонтальной скорости движения. В начальный момент приземления на тело фигуриста действует сила,  называемая амортизационной перегрузкой— Fam. Эта сила возникает в  результате того, что перед началом приземления тело фигуриста  обладает некоторой величиной кинетической энергии . В конце фазы  амортизации величина кинетической энергии движения по вертикали  равна нулю. Процесс погашения вертикальной составляющей скорости  полета сопровождается появлением дополнительной нагрузки на  опорно­двигательный аппарат фигуриста. Средняя величина  амортизационной перегрузки может быть приближенно определена по  формуле: где m — масса тела фигуриста, VB — вертикальная составляющая  скорости центра тяжести тела перед приземлением, Δу — вертикальное  перемещение центра тяжести тела при амортизации. Анализ выражения для Fam позволяет сделать один важный практический вывод: увеличение Δу позволяет уменьшить величину амортизационной  перегрузки. Вот почему оптимальным следует считать приземление на  вытянутый носок конька, что увеличивает путь амортизации и таким  образом уменьшает величину амортизационной перегрузки.  При скольжении центр тяжести тела движется параллельно полозу  конька или в направлении близком к параллельному . Приближенно  считая, что траектории центра тяжести тела и конька опорной ноги  тождественны, можно выявить связь между параметрами движения тела  перед приземлением и параметром скольжения  в приземлении — радиусом дуги приземления R:          где Vx — горизонтальная составляющая скорости тела перед  приземлением,   — угловая скорость тела перед приземлением. ω      Чем больше радиус дуги приземления, т. е. чем положе выезд, тем он  качественнее и надежнее. Значит, для улучшения качества  приземления  следует стремиться увеличивать горизонтальную скорость движения  тела в полете и уменьшать остаточную угловую скорость вращения.          Результаты биомеханических исследований, выраженные в  числовых параметрах и систематических зависимостях, очень важны.  Однако их нельзя считать самоцелью. Конечный результат предполагает  соединение, осмысливание этих промежуточных данных на основе педагогических наблюдений и экспериментов. На основе такого синтеза  могут быть созданы новые способы выполнения движений, новые  упражнения, средства и методы тренировки. Вращение  В арсенале фигуриста имеется большое количество вращательных движений,  возникающих естественно и выполняемых сравнительно легко. К таким  движениям относятся опорные вращения — пируэты. Вращение   вокруг   вертикальной   оси   –   элемент   фигурного   катания,   в котором фигурист, стоя на опорной ноге, вращается вокруг воображаемой оси. Свободная нога может быть отведена в сторону или поднята вверх. В процессе вращение фигурист может менять позы вращения, координируя свои действия с помощью свободной ноги и рук. Заход во вращение обычно представляет собой движение по дуге длиной в половину окружности. Весь процесс вращения может быть разбит на два этапа:  Группировка­промежуток времени, за который фигурист изменяет  свой момент инерции, прижимая руки к телу;   и   вращение   ­   промежуток   времени,   за   который   фигурист вращается   вокруг   собственной   оси,   обладая   постоянным моментом инерции.   Силы инерции ускоряют вращение при группировке и замедляют его при разгруппировке. Когда фигурист   прижимает руки к телу, его   вращение ускоряется.   Оказывается,   скорость   вращения   возрастает   под   действием кориолисовой   силы.     Когда   спортсмен   прижимает   руки   в   туловищу, линейная   скорость   рук   должна   уменьшиться.   Следовательно,   на   них   со стороны   туловища  действуют   силы.  В  свою  очередь   руки   действуют   на туловище, благодаря чему скорость его вращения увеличивается. Сила Кориолиса (по имени фр. учёного Гюстава Гаспара Кориолиса, впервые её описавшего) — одна из сил инерции, существующая в неинерциальной  системе отсчёта из­за вращения и законов инерции, проявляющаяся при  движении в направлении под углом к оси вращения. Силы инерции Кориолиса  I k, ускоряют вращение при группировке и  замедляют его при разгруппировке Фигурист, выполняющий  фигуру вращения с ускорением  входит во вращение достаточно медленно, широко раскинув руки и ноги, а затем, по мере того,  как он собирает массу своего тела всё ближе к оси вращения, прижимая руки  к туловищу, его скорость вращения увеличивается. Итак, мы выяснили: ­ Что для того, чтобы ускорить вращение вокруг вертикальной оси, нужно  прижать руки к туловищу, так как момент инерции уменьшается, а значит  возрастает угловая скорость. ­ Угловая скорость увеличивается во столько раз во сколько раз  уменьшается момент инерции, и наоборот. Таким образом, законы физики, безусловно,  влияют на выполнение  элементов фигурного катания. Без знания этих законов фигурист не  способен улучшать и совершенствовать свои достижения. IV  Кёрлинг Кёрлинг — командная спортивная игра на ледяной площадке. Участники  двух команд поочерёдно пускают по льду специальные  тяжёлые гранитные снаряды («камни») в сторону размеченной на льду мишени («дома»). От каждой команды — четыре игрока. В 1998 году кёрлинг был признан олимпийским видом спорта, и на зимних  Олимпийских играх в Нагано были разыграны первые золотые медали. Каждый из игроков вооружён специальной щёткой, которой он может  натирать лёд перед движущимся камнем. Бросающий игрок надевает на обувь тефлоновый слайдер, обеспечивающий  хорошее скольжение. Для предотвращения травм используются наколенники. Игрок обтачивает ледяные бугры специального многослойного льда для  керлинга, регулируя расстояние, на которое катится камень, и корректируя  направление. Тереть при этом нужно, изо всех сил налегая на щетку и  удерживая равновесие на скользкой поверхности. В результате «свипования»  образуется тонкий слой воды, усиливающий скольжение камня.   В керлинге спортсмены должны мгновенно учитывать многие моменты,   связанные с физикой: правильно рассчитать необходимую скорость для  камня, силу броска, корректировать траекторию движения камня и силу  трения, возникающую между камнем и льдом. Недаром керлинг считается  интеллектуальной спортивной игрой, в которой спортсменам приходиться  решать физические задачи.  Для примера рассмотрим задачу,  в которой применяется закон сохранения  импульса. Задача Игрок в керлинг скользит с игровым камнем по льду со скоростью 4 м/с. В  некоторый момент он аккуратно толкает камень в направлении своего  движения. Скорость камня при этом возрастает до 6 м/с.  Масса камня 20 кг,  а игрока 80 кг. Какова скорость игрока после толчка? Трение коньков о лед  не учитывать. Решение: Обозначим  m1,  v1, v 1 m 2,  v2' массу камня и его скорость после броска. По закону  сохранения импульса: (m 1 + m 2) v 1 = m 1 v 1 Тогда  '  ¿ (m1+m2)v1−m2v2' v 1 '  массу  игрока, его скорость до и после броска,  а через  ' + m 2v2' m1 Подставляем: ¿ (20+80)∙4−20∙6 80 v' 1 =¿   3,5 м с Ответ: скорость игрока  3,5 м с V Бобслей Управлять бобом ­ это почти то же самое, что ехать по заледеневшей дороге,  где между колесами и поверхностью почти нет трения, а при любом  неожиданном движении или, например, нажатии на тормоз можно потерять  контроль. Представьте, что ваша машина открыта сверху и сзади, как боб, а ледяная  трасса тянется больше километра. И это не прямая и ровная дорога ­ по  большей части она идет под гору и состоит из множества сложных виражей.  Одно неверное движение ­ и боб может перевернуться. Вот что значит сидеть  в бобе. Бобслей ­ это высокоскоростной вид спорта, основанный на точном  соотношении мастерства и физики. Для проведения соревнований по бобслею необходимы три вещи: экипаж, боб  и трасса. Экипаж состоит из двух либо четырех спортсменов, которые  управляют бобом, тормозят его и прибавляют саням вес. Каждый боб имеет  аэродинамическую конструкцию и гладкие полозья, чтобы ехать как можно  быстрее. Трасса обычно сделана из бетона и покрыта слоем льда. Спускаясь  по трассе, боб развивает скорость  130 км/ч.  Случается, что бобы  переворачиваются. Спортсмен­бобслеист должен быть отважным и обладать хорошим чувством  равновесия. Но, чтобы съехать на бобе вниз, требуется больше, чем просто  координация движений и самообладание. Бобы весят больше сотни  килограммов. Пилот и разгоняющий­брейкман (а также экипаж или  разгоняющие в бобах­четверках) должны привести боб в движение. Их задача  ­ пробежать как можно быстрее и запрыгнуть в боб до начала первого виража.  Во время заезда спортсмены испытывают на себе сильнейшие перегрузки. По этим причинам у большинства бобслеистов есть опыт в других требующих  выносливости видах спорта, например, в регби или в легкой атлетике. Во  время тренировочных заездов спортсмены должны показать свое мастерство в беге на короткие дистанции, прыжках, торможении и поднятии веса.  Тренировка не ограничивается одним лишь съездом в бобе вниз по замерзшей  трассе. Это еще и бег, и прыжки, и силовые упражнения. Разгоняющие  занимаются тяжелой атлетикой особенно интенсивно, потому что на них  ложится большая часть нагрузки по разгону боба. Без сцепления со льдом экипаж не сможет привести боб в движение. Поэтому  все члены экипажа, чтобы улучшить сцепление, носят на старте ботинки с  шипами. Шиповка напоминает щетку: шипы не более 1 мм длиной и не более 4 мм шириной, расстояние между ними составляет не более 3 мм. Бобслеисты  надевают облегающие аэродинамические костюмы, которые сокращают  сопротивление воздуха при спуске.  Бобслейная гонка начинается в зоне старта. Это прямой отрезок, достаточно  широкий для того, чтобы бобслеисты могли толкать боб. Задача спортсменов  ­ бежать как можно быстрее, поскольку эти толчки и сила тяжести являются  для боба единственным источником скорости в течение всей гонки. Во время  старта нагрузку создает любой добавленный экипажем для достижения  максимального веса балласт. Даже если присутствует немного трения, более  тяжелый боб трудней толкать. Старт длится около шести секунд. Хороший старт имеет решающее значение:  отрыв в 0,1 секунды на этом этапе может привести к отрыву в 0,3 секунды в  конце гонки. Стартовав, бобслеисты запрыгивают в боб и сгибаются, чтобы  достичь лучшей аэродинамики. Как правило, первым в боб запрыгивает пилот, а последним ­ задний разгоняющий (брейкман). Пилот и члены экипажа (в  бобе­четверке) убирают складные ручки. На этом этапе гонка в основном зависит от пилота и от силы притяжения. При помощи точных движений пилот ведет боб вниз по трассе. При необходимости члены экипажа смещают на поворотах свой вес. Задача пилота ­ найти линию,  т.е. идеальную дорогу вниз по трассе. Победа в соревнованиях по бобслею начинается задолго до зоны старта ­ она  начинается с конструкции быстрого и мощного боба. Хороший боб использует для ускорения физические силы и уменьшает действие сил, замедляющих  движение. Ускорение вследствие силы тяжести ­ одно и то же для всех участвующих в  заезде бобов. Это постоянная физическая величина, равная 9,8 м²/с. Тяга,  трение и инерция, с другой стороны, меняются в зависимости от конструкции  боба и могут повлиять на фактическую величину его ускорения. Каким бы  сильным, быстрым и опытным ни был экипаж, он не сможет компенсировать  следующие неучтенные в конструкции боба факторы: Сопротивление воздуха: обтекающий воздух создает тягу, которая  замедляет движение боба. При помощи воздушных каналов и компьютерной     симуляции можно построить боб с максимальной аэродинамикой, снизив  сопротивление воздуха и добившись, чтобы боб ехал быстрее. Трение: Между гладким металлом и льдом возникает значительное  трение, но для того, чтобы замедлить скорость боба, хватило бы и небольшого трения. По этой причине на быстрые бобы надеваются хорошо  отшлифованные коньки, которые должны быть как можно тоньше и в то же  время соответствовать требованиям FIBT. Коньки каждого последующего  боба царапают и прорезают лед, так что экипажам, которые выступают позже,  приходится преодолевать большее трение. Инерция: Инерция предмета ­ это его масса, помноженная на скорость.  Чем тяжелее предмет и чем быстрее он движется, тем больше у него инерции.  А чем больше инерция ­ тем сложнее его остановить. То есть бобам с большей  инерцией легче преодолеть действие тяги и трения. Соответственно, у  экипажа с хорошим стартом и бобом с массой, приближенной к  максимальной, есть преимущество на всех этапах гонки. Чтобы выиграть соревнования, экипаж с быстрым бобом должен обеспечить  хороший старт, который задаст и скорость, и инерцию. В распоряжении  экипажа ­ примерно 50 м, чтобы привести боб в движение и достичь скорости  около 40 км/ч. Привести боб в движение сложнее, чем продолжить движение, т.к.  статическое трение (трение между неподвижным предметом и поверхностью,  на которой он находится) ­ больше, чем трение скольжения. Во время  управления бобом пилот использует каждую благоприятную возможность,  поэтому часто он начинает толкать боб только после того, как тот приходит в движение, чтобы сэкономить силы. После старта в ход идут сила тяжести и инерция, которые ускоряют боб при  его движении вниз. Задача пилота ­ выбрать оптимальную траекторию. Если  проехать по виражу слишком высоко, то общее расстояние, которое должен  пройти боб, увеличится, и на прохождение трассы потребуется больше  времени. Если проехать слишком низко, то не удастся использовать  центробежную силу, благодаря которой боб остается в движении при  прохождении виражей. В конечном итоге, все эти физические силы и действия спортсменов ведут к  очень небольшому отставанию в результатах. Часто победители оказываются  лишь на несколько сотых секунды быстрее экипажа, занявшего второе место. Оценка эффективности деятельности.    Наша работа над проектом показала, что в спорте знание законов физики  также необходимо как и в технике.   При создании снаряжения и экипировки  для спортсмена, идеального выполнения им спортивных элементов, необходимо учитывать действие многочисленных сил, которые оказывают на  спортсмена как положительное, так  и негативное влияние. Необходимо  правильно применять законы физики, которые позволяют спортсмену  рассчитать тактику  успешного действия.  Таким образом, физика помогает   спортсмену достичь высоких результатов самосовершенствования своего  таланта, а так же облегчает физические нагрузки на организм, тем самым  экономя время, усилия и здоровье спортсмена.     Выступая перед сверстниками, мы старались заинтересовать их изучением  физики, показав ее значимость в спорте. Результаты.    В результате работы над проектом мы  обобщили и значительно расширили свои знания  по физике.  Подробно разобрались со многими дисциплинами в зимних   олимпийских   видах   спорта,   прочитав   научно  ­   популярные   статьи, просмотрев видео ролики  о них.   Мы научились решать задачи спортивного содержания с помощью законов динамики.   Выступили с защитой проекта перед школьниками 9­11 классов, показав  необходимость осмысленного отношения к изучению физики.