Физика в велоспорте



Citius! Altius! Fortius! (Быстрее! Выше! Сильнее!) — эти три латинских слова, ставшие спортивным девизом, выбиты на олимпийских медалях.

В современном мире планка спортивных достижений поднята настолько высоко, что благодаря лишь физической подготовке спортсмену трудно достичь высокого результата.

Помимо физиологических ограничений возможностей человеческого организма имеются и иные препятствия для спортивных достижений, связанные с проявлением тех или иных физических явлений и закономерностей.

Но далеко не все задумывались над вопросом, какова связь между спортом и физикой, как развитие физической науки влияет на совершенствование спортивных достижений. Правильное использование соответствующих физических законов может помочь спортсмену в достижении успеха.

Особенно актуально знание и использование законов физики в технических видах спорта, одним из которых является велосипедный спорт. Интересным фактом является то, что Олимпийской чемпионкой в 2020 году по велоспорту-шоссе в групповой женской гонке стала, не выступающая за профессиональные команды, спортсменка из Австрии, имеющая степень доктора математических наук.

Однако зачастую спортсмены, не понимая основ физических явлений и закономерностей, допускают тактические ошибки во время соревнований, что приводит к проигрышу даже физически более сильных спортсменов.

Цель работы : на основе физических законов разработать рекомендации спортсменам по улучшению спортивных результатов в прохождении горного этапа велосипедной гонки.

С научной точки зрения актуальность данной работы заключается в получении практического результата на основе изучения возможностей применения законов физики в спорте.

Социальная значимость данной работы заключается в повышении интереса спортсменов к изучению физике.

Для меня лично работа актуальна тем, что я, являясь кандидатом в мастера спорта по велоспорту и членом сборной России по велоспорту-маунтинбайку, хочу улучшить свои спортивные результаты на горных гонках, используя законы физики.

Спортивные медики и учёные убеждены, что возможности человеческого организма в увеличении скорости достигли, наконец, своего предела, а новые рекорды возможны лишь с применением запрещённых препаратов.

В своей проектной работе попробую доказать, что новые рекорды можно ставить, в том числе используя знания о физических законах.

Рассмотрим основные силы, которые возникают в процессе движения на велосипеде.

Внешние силы

1. Сила тяжести (гравитация) . Гравитация — одно из четырёх фундаментальных явлений в природе. Объясняется законом Ньютона. Сила, с которой она действует, прямо пропорциональна массе тела велосипедиста. Чем больше вес велосипедиста, тем сильней сила гравитации. Она действует на велосипедиста и компоненты велосипеда перпендикулярно к поверхности земли. Сила её действия возрастает при подъёме на велосипеде в гору и соответственно уменьшается при спуске.
2. Сила сопротивления воздуха . Аэродинамические силы, действующие на велосипедиста в основном, складываются из сопротивления воздуха и встречного или бокового ветра. При средней скорости и движении по ровной поверхности аэродинамическое сопротивление является наибольшей силой, которая препятствует движению вперёд. При дальнейшем увеличении скорости, аэродинамическое сопротивление становится подавляющим, и своей величиной намного превосходит все остальные силы, которые препятствуют движению вперёд.

Ветер является главным врагом для велосипедиста, и он может превратить на первый взгляд простой и лёгкий маршрут в настоящее испытание.

Сила, с которой ветер действует на плоскую поверхность перпендикулярно к ней определяется по формуле.

где S — площадь поверхности в м2, v — скорость ветра в км/ч.

Сила лобового сопротивления пропорциональна квадрату скорости, а мощность — произведению силы на скорость. Следовательно, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха мощность растет пропорционально скорости в третьей степени. Поэтому даже небольшое ускорение движения требует значительного увеличения усилий.

При поездках группами наиболее эффективным методом борьбы со встречным ветром является так называемый «tailgating».

Движение потоков воздуха и распределение зон высокого и низкого давления, действующих на велосипедиста.

Рис. 1

Синим цветом показана зона низкого давления. Красным цветом показана зона повышенного давления. Стрелками показаны основные направления воздушных потоков

Как видно из рисунка 1, воздушный поток создаёт избыточное давление перед велосипедистом и, огибая его, создаёт зону пониженного давления позади него. Этот перепад давления и является той аэродинамической силой, которая затрудняет движение.

Рис. 2

Если второй велосипедист передвигается достаточно близко за первым, то он попадает в зону пониженного давления, созданную первым велосипедистом. Воздух огибает второго не успевая создать перед ним зону повышенного давления, за счёт чего велосипедист, едущий сзади тратит намного меньше энергии, чем первый. Такое распределение зон давления и воздушных потоков происходит как при наличии встречного ветра, так и при его отсутствии.

Исследования показывают, что на скоростях от 25 до 50 км/ч количество сэкономленной энергии при использовании метода «tailgating» зависит от расстояния между задним колесом первого велосипедиста и передним колесом второго и в процентах выглядит примерно так:

— до 30 см можно сэкономить 38 %;

— до 1 м — 32 %;

— до 2 м — 24 %.

Как видно, чтобы максимально сберечь свои силы необходимо как можно ближе держаться к впереди едущему велосипедисту.

При боковом направлении ветра второй велосипедист смещается направо или влево, в зависимости от его направления.

Рис. 3

3. Сила сопротивления качению. Сопротивление качению — сила, которая возникает при движении круглого предмета, в данном случае колеса велосипеда по плоской поверхности со скоростью прямолинейного движения. Возникает в основном при деформации колеса, деформации поверхности, по которой двигается колесо или деформации обоих. При езде на велосипеде эта сила возрастает при плохо накачанных колёсах или передвижении, например, по песку.
4. Силы, возникающие во время манёвров для балансировки велосипеда. Возникают при изменении направления движения велосипеда или при манипуляциях рулём, чтобы сбалансировать велосипед и удержать равновесие. Определяется центробежной силой. В механике термин центробежная сила используется для объяснения двух понятий — сила инерции и центростремительная сила.

При вращении педалей велосипеда усилие велосипедиста передаётся колёсам, поэтому они начинают вращаться. Шины велосипеда взаимодействуют с поверхностью дороги. Силами этого взаимодействия являются сила реакции опоры и сила трения, именно последняя является причиной движения велосипеда. Чем больше сила трения между шинами велосипеда и дорожным покрытием, тем уверенней и надёжней будет езда, особенно на поворотах. Максимальная сила трения — сила трения скольжения, она определяется формулой:

где μ- коэффициент трения, а N — сила реакции опоры, направленная вертикально вверх.

Рис. 4

Во время поворота велосипед движется по дуге, имеющей некоторый радиус R (см. рис. 4 вид сверху). При этом скорость велосипеда направлена по касательной к траектории, а центростремительное ускорение и сила трения, удерживающая велосипедиста, направлены к центру дуги. Согласно второму закону Ньютона:

Учитывая, что сила тяжести направлена вертикально вниз, а центростремительное ускорение равно,

получим, что минимальный возможный радиус дуги рассчитывается по формуле:

Коэффициент трения резины находится в интервале от 0,5 до 0,8 для сухого асфальта и в интервале от 0,25 до 0,5 для мокрого асфальта. Поэтому при движении со скоростью 15 км/ч (примерно 4,2 м/с) безопасным будет поворот по дуге радиуса R= 4,2 2 / (0,5·9,8) = 3,6 м (сухой асфальт) и R= 4,2 2 / (0,25·9,8) = 7,2 м (мокрый асфальт)

Подведя итог, можно сказать, что самыми основными при движении на велосипеде являются три силы: сопротивление качению, сопротивление воздуха и сила тяжести. Зависимость мощности велосипеда от указанных величин можно представить в виде формулы:

W = k _r Ms + k _a Asv ² + giMs, где

W — мощность;

kr — сопротивление качению;

M — суммарная масса велосипедиста и велосипеда;

s — скорость велосипеда на дороге;

ka — коэффициент сопротивления воздуха;

A — суммарная площадь поверхности велосипедиста и велосипеда;

v — скорость велосипеда при ветре;

g — ускорение свободного падения;

i — уклон дороги.

Сопротивление воздуха возрастает пропорционально скорости в кубе. То есть, чем быстрее едем, тем большую роль играет аэродинамическая составляющая. Для увеличения скорости требуется не равномерное, а экспоненциальное увеличение мощности. При подъеме к аэродинамической составляющей прибавляется преодоление силы тяжести. Поскольку силы у человека не безграничны, скорость передвижения будет падать с увеличением градиента. При командной гонке гонщики идут в составе пелотона. В такой формации только те, кто впереди, в полной мере ощущают на себе силу сопротивления воздуха, тогда как гонщики за ними будут тратить гораздо меньше усилий на поддержание темпа.

На низких скоростях (около 16 км/ч), сопротивление воздуха перестает играть решающую роль, а значит и висеть на колесе уже не так выгодно. На подъемах, резкое снижение скорости вносит изменения в динамику гонки и приводит к разрыву пелотона. Гонщики с более высокой аэробной способностью вырываются вперед.

Интересный факт — маленькие велосипедисты обычно имеют преимущество на подъемах, тогда как более крупные спортсмены хороши в одиночных отрывах на равнине. Почему же так происходит?

Исходя из антропометрии человека, масса тела возрастает в кубической пропорции к росту, тогда как площадь поверхности — в квадратной. Это означает, что хотя у более крупных спортсменов бо́льшая фронтальная поверхность, которую надо протолкнуть сквозь воздух, чем у мелкого спортсмена, их преимущество в массе (а значит и способности выдавать мощность ) гораздо больше. Другими словами, у крупных спортсменов более высокое соотношение мощности к фронтальной площади, что дает им преимущество в преодолении сопротивления воздуха.

На крутых подъемах скорость падает драматически, силой сопротивления воздуха можно пренебречь. Всем гонщикам приходится тратить одинаковое количество усилий пропорциональных их весу. Небольшие спортсмены удачно справляются с восхождением, потому что в общем случае у них бо́льшая относительная аэробная способность (VO2 max, максимальное потребление кислорода, в мл/мин*кг), чем у крупных ребят.

На спуске к собственной мощности спортсмена добавляется гравитационная составляющая. При пассивном спуске ( без педалирования ) скорость будет определяться балансом сопротивления воздуха и силы тяжести. С ускорением растет s(v ² ). Как только kaAs(v ² ) сравняется с giMs, велосипедист достигнет конечной скорости. Дальнейшее наращивание скорости возможно только вращая педали. На крутых спусках конечная скорость может достигать 70 км/ч. Соответственно и сопротивление воздуха будет огромно. Конечная скорость, пропорциональна квадратному корню соотношения массы к площади поверхности. У крупных велосипедистов это соотношение будет гораздо значительней. Так что и на спуске они будут быстрее в силу чисто физических, а не физиологических, законов. За счет бо́льшей массы они получают бо́льшее преимущество от силы тяжести. Крупный велосипедист достигнет бо́льшей скорости, прежде чем установится равновесие сил. Легких и небольшим спортсменам хорошо идти в гору, но под гору спускаются они медленней, чем крупные и мускулистые, на равнинной трассе влияние аэродинамической силы на них также более негативно. В то время как крупные спортсмены потенциально хороши в спринтах, скоростных спусках, обладают приличным индивидуальным ходом, но на затяжных подъемах чувствуют себя хуже.

При увеличении угла подъема уменьшается сила трения, согласно второму закону Ньютона. А значит уменьшается и сцепление колес с поверхностью дороги.

Рис. 5

Для подготовки к гонке стоит выяснить какие максимальные углы подъёма присутствуют на трассе, заменить заднюю звезду на звезду с большим количеством зубцов. Чем меньше зубцов, тем меньше звезда и тем физически тяжелее её крутить. Если не поменять звезду, подъём в горку, особенно в затяжную, превратится в большое испытание.

Итак, если обобщить вышеизложенные физические закономерности, то можно сформулировать следующие рекомендации по прохождению и подготовке к прохождению горного этапа велогонки:

1. Сбросьте вес

Существует основной фактор — соотношение веса и силы, чем оно лучше, тем легче брать высоты. Сильные ноги и минимум жира в организме физиологически облегчает процесс подъема себя и велосипеда по склону.

2. Уменьшите вес велосипеда

На облегченном велосипеде легче заезжать в гору. Если получается сбросить несколько килограммов лишнего веса с себя — это замечательно. Однако и снятие лишнего веса с велосипеда не стоит рассматривать как дорогое излишество.

Например, облегченное седло, подседельный штырь, руль и вынос сделают велосипед немного легче, однако эффективность такого облегчения будет стремиться к нулю, если остались тяжелые колеса. Легкие колеса позволяют намного быстрее и легче разгоняться, поддерживать высокую скорость и тормозить.

3. Учитывайте силу и направление ветра

Чтобы уменьшить сопротивление ветра и сэкономить затраты энергии необходимо снизить темп и выбрать нужную передачу, чтобы с наименьшими потерями преодолеть участок с неблагоприятным направлением ветра. Также необходимо уменьшить свою парусность, применяя облегаемую одежду и велосипедный шлем, при езде держать руки ближе к центру руля, отрегулировать посадку на велосипеде с учетом выбора более аэродинамичной посадки. В групповой гонке занимать позицию в группе с учетом направления бокового ветра. При спуске также необходимо принять наиболее аэродинамичное положение, это позволит развить максимальную скорость без больших энергозатрат.

4. Поддерживаете оптимальный каденс

Лучший способ забираться в гору с высокой эффективностью — вращение педалей с каденсом 80–100 об/мин. Для облегчения подъема необходимо понизить передачу, несмотря на понижение скорости движения. Это позволит сэкономить силы для ускорения на второй половине затяжного подъема, когда у соперников нарастает утомление, и они не могут объединиться для активного противодействия отрыву.

5. Выбирайте оптимальную передачу

Если вы наделены супер сильными ногами, сердцем и легкими, вы сможете заехать в гору и на повышенной передаче. Передача подбирается так, чтобы в процессе подъема переключений происходило как можно меньше. Ведь переключение предусматривает кратковременное снятие нагрузки с педалей, а значит будет происходить интенсивное замедление.

6. Вставайте из седла

Проводились исследования, целью которых было выяснение оптимального режима вращения педалей — стоя или сидя. Оказалось, что шоссейные велосипедисты генерируют идеальный уровень мощности оставаясь в седле. Работает это пока уклон не достигает 10 %. Однако, когда уклон становится круче, скажем, более 25 %, то вращение педалей сидя в седле становится невыполнимой задачей. Исходя из проведенных исследований, движение стоя позволяет повысить эффективность педалирования при подъеме в гору на 25 %. Тем не менее, если велосипедист обладает большим весом, то поездка стоя может быть уже не столь эффективной. Наличие низкого центра тяжести может помочь с общим отношением мощности к весу.

7. Разгоняйтесь перед подъёмом

Перед подъемом можно использовать плоский участок или уклон вниз, чтобы набрать скорость, предварительно набранная скорость поможет проехать часть горки по инерции с минимальными энергозатратами.

8. Выбирайте оптимальную траекторию

Если на подъеме встречается крутой поворот — важно попытаться приблизиться к нему в самой равнинной точке. Еще одно решение — внешний радиус поворота. Расстояние по внутренней кромке поворота может казаться меньшим, но в итоге подъем будет только круче.

По результатам проведенного анализа мне удалось раскрыть основные закономерности применения физических законов в велоспорте, сделать вывод о необходимости умелого использования законов физики и достижений физической науки спортсменами-велосипедистами для высоких спортивных результатов.

Литература:

1. Шамбулина, В. Н. Физика и спорт. [текст]: метод. указания / В. Н. Шамбулина, Л. Н. Чиркова, Д. А. Зарубин. — Ухта: УГТУ, 2010.
2. Полищук Д. А. Велосипедный спорт. — Киев: Олимпийская литература, 1997.
3. Уткин В. Л. Биомеханические аспекты спортивной тактики. — М.: Физкультура и спорт, 1984.
4. Захаров А. А. Тактическая подготовка велосипедиста: Учебное пособие. — М, ФОН, 2001.