Реферат на тему «Физика в спорте»

Введение

Физика кажется школьникам предметом формул и лабораторных работ, а спорт — делом тренировок и характера. Между тем любое движение на стадионе подчиняется механике. Бегун толкает дорожку назад и получает от неё ответный толчок вперёд, шестовик превращает скорость разбега в высоту, футбольный мяч, закрученный при ударе, уходит в сторону от разницы давлений воздуха. Тренеры, которые понимают эти законы, точнее ставят технику, а инженеры создают инвентарь, благодаря которому рекорды продолжают падать.

Спорт высших достижений давно стал отчасти инженерной дисциплиной. Исход забега на сто метров решают сотые доли секунды, и они зависят от покроя костюма, упругости покрытия, угла наклона на старте. Биомеханика, изучающая движения человека методами механики, входит в программу подготовки тренеров, а в сборных командах работают специалисты, снимающие спортсменов высокоскоростной камерой. Школьнику же спортивные примеры помогают увидеть, что законы из учебника действуют не только в задачнике.

Цель работы — показать на примерах из разных видов спорта, что законы механики служат тренеру и спортсмену рабочим инструментом. В первой главе по порядку школьного курса разобраны законы Ньютона, импульс, трение, энергия и вращение; во второй — сопротивление воздуха, эффект Магнуса и инвентарь.

Реферат состоит из введения, двух глав, заключения и списка источников. Опорой послужили учебники физики, работы по биомеханике спорта Д. Д. Донского и В. М. Зациорского и «Занимательная механика» Я. И. Перельмана, где многие спортивные примеры разобраны ещё в 1930-е годы.

Глава 1. Законы механики в спорте

1.1 Законы Ньютона и импульс

Ещё Галилей, скатывая шары по наклонным желобам, догадался, что движущееся тело само по себе не останавливается, его тормозит трение. Ньютон сделал из этого первый закон. На льду он особенно нагляден: шайба после броска пролетает шестидесятиметровую площадку, почти не замедляясь. Бобслеисты толкают боб только на разгоне, потом запрыгивают внутрь и дальше лишь рулят. А спринтер, финишировавший на скорости около 12 м/с, ещё долго бежит по инерции, и судьи ставят за линией финиша запас дорожки.

Второй закон, a = F / m, удобно проверить на старте спринта. Если бегун массой 80 кг отталкивается от колодок с горизонтальной силой порядка 800 Н, его ускорение в первые шаги будет около 10 м/с², то есть почти такое же, как у тела в свободном падении. Отсюда ясно, почему спринтеры так много работают над силой ног и почему конструкторы борются за каждый грамм инвентаря: шоссейный велосипед весит около семи килограммов (по правилам UCI не меньше 6,8 кг). Третий закон описывает сам механизм движения. Бегун отталкивается от дорожки, пловец от воды, гребец от воды веслом, и опора толкает их вперёд, а без неё скорость центра масс не изменить.

Для ударов главный закон — сохранение импульса. Ракетка, бита или клюшка за долю секунды контакта отдают мячу или шайбе часть своего импульса p = mv, и чем быстрее движется ударная поверхность, тем быстрее улетает снаряд. Боксёры знают, что сильный удар идёт «от ноги»: толчок начинается с опорной стопы, проходит через разворот бедра и корпуса и только потом выходит в кулак. Масса, участвующая в ударе, при этом возрастает в разы, и новички, бьющие одной рукой, этого не понимают годами.

1.2 Сила трения

Трение в спорте то друг, то враг. Футболист без сцепления с газоном не сделает ни рывка, ни финта, и поэтому на бутсах шипы, а на кроссовках глубокий протектор. Штангисты и гимнасты натирают руки магнезией, то есть порошком карбоната магния, который впитывает пот, и гриф не выскальзывает из ладоней.

В конькобежном и лыжном спорте трение, напротив, стараются уменьшить. Коньки скользят по льду благодаря тонкой жидкой плёнке на его поверхности. Долгое время считалось, что она образуется из-за плавления льда под давлением лезвия, однако расчёты показали, что этого давления недостаточно, и сейчас главную роль отводят нагреву от трения и особому строению поверхностного слоя льда. В лыжных гонках подбор мази под температуру и влажность снега может решить исход гонки, а сервисные бригады сборных команд работают с ней не менее тщательно, чем тренеры со спортсменами.

1.3 Превращения энергии в прыжках

Прыжок с шестом служит одним из самых наглядных примеров закона сохранения энергии. Во время разбега спортсмен набирает кинетическую энергию, затем, упирая шест в упор, сгибает его, и часть энергии переходит в энергию упругой деформации шеста. Распрямляясь, шест поднимает спортсмена вверх, и энергия превращается в потенциальную. Если приравнять кинетическую энергию разбега к потенциальной, можно оценить, на сколько метров способен подняться центр масс спортсмена при разной скорости разбега.

Расчёт по формуле h = v² / 2g показывает, что при скорости разбега 10 м/с, характерной для сильнейших шестовиков, центр масс может подняться примерно на 5,1 м. Если прибавить к этому высоту, на которой находится центр масс в момент отталкивания, около метра, и работу рук при отталкивании от шеста, получается шесть с лишним метров, что соответствует уровню мировых рекордов. Отсюда понятно, почему лучшие шестовики — это прежде всего быстрые спринтеры: высота растёт пропорционально квадрату скорости.

Похожие рассуждения объясняют технику прыжка в высоту. После того как в 1968 году на Олимпийских играх в Мехико Дик Фосбери победил, перелетая планку спиной, этот способ быстро вытеснил прежние. При изгибе тела над планкой центр масс прыгуна может проходить ниже самой планки, а значит, при той же энергии отталкивания удаётся взять большую высоту. Основные примеры проявления законов физики в спорте сведены в таблицу.

Таблица 1 — Законы физики и их проявление в различных видах спорта

Таблица показывает, что почти каждый вид спорта опирается сразу на несколько законов. Роль сопротивления воздуха и эффекта Магнуса, а также влияние физики на создание спортивного инвентаря рассматриваются во второй главе.

1.4 Центр масс, равновесие и вращение

Многие спортивные приёмы основаны на управлении положением центра масс. Тело устойчиво, пока вертикаль, проведённая через центр масс, проходит внутри площади опоры. Поэтому борцы и дзюдоисты стоят в широкой низкой стойке: она увеличивает площадь опоры и опускает центр масс, и вывести такого спортсмена из равновесия труднее. Задача атакующего как раз и состоит в том, чтобы сместить центр масс соперника за пределы его опоры, например подсечкой, которая выбивает опорную ногу.

Штангист следит, чтобы общий центр масс «человек плюс штанга» оставался над серединой стоп. Стоит грифу уйти вперёд на несколько сантиметров, и силы уходят уже не на подъём, а на то, чтобы не упасть; такие попытки обычно срываются. Гимнастке на бревне шириной всего 10 сантиметров приходится всё время подправлять положение тела руками и корпусом, и чем ниже она приседает, тем ей проще.

Вращение подчиняется закону сохранения момента импульса. Фигуристка входит во вращение с разведёнными руками, прижимает их к груди — и начинает крутиться в несколько раз быстрее: момент инерции уменьшился, а момент импульса остался прежним. Прыгун в воду группируется, чтобы успеть сделать два с половиной оборота, и выпрямляется перед входом в воду, чтобы вращение замедлилось. Опыт легко повторить на вращающемся стуле с гантелями в руках. Так школьная формула L = Iω, где L — момент импульса, I — момент инерции, ω — угловая скорость, оказывается ключом к самым зрелищным элементам фигурного катания.