Ski-Pro.Ru
Клуб любителей горных лыж
ГлавнаяГлавная   ГлавнаяФорумы   ФотоальбомыФотоальбомы   Статьи - горные лыжи и сноубордСтатьи   Горнолыжный атлас мираАтлас   ПоискПоиск   ПользователиПользователи   РегистрацияРегистрация
  • Анализ техники. Энергетический баланс.

    Большинство исследований, в области механики лыж, связано с представлением лыжника, как шарнирной системы, в которой создаются силы и моменты, и также взаимодействий со снегом. Но есть также и другое, интересное направление, основанное на изучении энергетического баланса, который может измеряться непосредственно, без анализа механики конкретных звеньев системы.

    Это направление появилось в 2003 году, когда группа ученых из Университета Любляны изучала спортсменов из сборной Словении. Руководитель группы, доктор М.Супей предположил: есть объективный критерий эффективности техники, основанный на энергетическом балансе. При движении лыжника с горы, происходит переход потенциальной энергии в кинетическую, которая определяет скорость, но часть энергии теряется на преодоление сил сопротивления: аэродинамических, сопротивления снега, включая трение, часть энергии расходуется на сгибание лыж. Спортсмен также может преобразовывать свою внутреннюю энергию в механическую, которая компенсирует часть потерь: просто, отталкиваясь палками, или используя движения типа "пампинга", работающие на более высокой скорости.
    Энергетический баланс может также изменяться, если спортсмен сгибается, или разгибается, изменяя высоту центра масс относительно лыж. При изменении высоты одновременно изменяется аэродинамическое сопротивление: при высокой стойке оно выше, и потери энергии также выше.
    Энергия также может аккумулироваться в изгибе лыж, в начале поворота, и освобождаться в конце, при разгибании, эта сила может поднять ЦМ спортсмена, без его усилий, и увеличить потенциальную энергию, но при этом возрастает давление на лыжи и механическое трение. Мы видим: энергетический баланс меняется непрерывно в течении спуска, энергия трансформируется, и частично теряется.
    Потери энергии изменяются, в процессе поворота, по сложной кривой, красная кривая для поворота с проскальзыванием, синяя для карвинга:


    Если известна масса спортсмена, то изменение общей энергии можно получить по положению его ЦМ, и величине мгновенной скорости. Для оценки потерь энергии на отрезке трассы, была предложена относительная величина: разность энергии на концах отрезка, на килограмм массы, и метр перепада высот, измеряемая в дж/кгм:

    В спорте, наиболее эффективная техника определяется по скорости, это требует минимизации потерь энергии, и максимальной компенсации: за счет специальных усилий, которые должны синхронизироваться с действием внешних сил. ИМХО такая интерпретация понятна на интуитивном уровне, и не противоречива, но главное достоинство подхода: это независимость от конкретных движений, "правильных" или "неправильных"!

    Доктор Супей разработал метод непрерывного измерения энергетического баланса в реальном времени, или по видеозаписи: тренер может следить за "работой" спортсмена, отслеживая ошибки по увеличению потерь энергии.
    Вот, типичные кривые, для двух разных спортсменов, в течении того же самого поворота: сверху общая энергия, внизу потери энергии:


    Роберт Рейд, один из самых известных современных специалистов, также изучал энергетический баланс: потери энергии обсуждаются в его известной диссертации, и в других статьях, написанных уже позже. Он определил зависимость рассеянной энергии от технического уровня: опытные любители, в среднем, во время поворота теряют в 1.5 раз больше энергии, чем спортсмены, а начинающие в 2.2 раза больше. При боковом скольжении, потери больше, чем при карвинге, а в коротких поворотах, в слаломе, больше, чем для GS.
    При этом, потери не равномерны: в верхней части поворота всегда меньше, чем в нижней: у лыжников любого уровня, и в любых поворотах.


    Также выяснились важные детали:
    • Потери энергии увеличиваются пропорционально кривизне траектории, по которой движется центр масс: чем ближе к центру поворота, тем больше потери. При ангуляции ЦМ удаляется, уменьшается кривизна его траектории, следовательно ангуляции более выгодна энергетически, чем прямое положение тела, и все аргументы о пользе "столбового" наклона являются не обоснованными!
    • Потери энергии при перекантовке пропорциональны углу, образуемому траекториями лыж и ЦМ, при их пересечении между поворотами.
    • Потери на сопротивление снега минимальны при центральном положении лыжника. При переднем положении, носок лыжи сильней изгибается, это увеличивает угол атаки при деформации поверхности снега. При заднем положении, угол атаки меньше, чем при центральном, но появляется проскальзывание носка к центру поворота.
    Проблема энергетического баланса изучалась также группой ученых из Зальцбургского Университета, с участием спортсменов из сборной Австрии. Ученые пришли к выводу: для спортсменов уровня сборной, различия в потерях энергии не являются статистически достоверными, кроме случаев грубых ошибок. Но лыжники разного уровня действительно, различаются по этому параметру: соотношения близки к тем, которые установил Р.Рейд.
    Также выяснилось, что потери энергии, могут различаться для одного лыжника, но на разных лыжах! Значит измерения энергетического баланса можно использовать, как объективный метод тестирования лыж. При этом было обнаружено, что энергия теряется также на вибрацию, использование демпфирования не только повышает комфорт, но также энергетически выгодно.

    На сайте ВорчестерскогоТехнологического Института нашлась очень интересная дипломная работа Джона Мадуры. На основе энергетического подхода, он изучил зависимость скорости от траектории, вся работа сделана на цифровой модели, без реальных измерений. Научным руководителем является профессор К.Браун, который также изучал энергетический баланс лыжников, и был научным оппонентом Р.Рейда, при защите диссертации.
    Дж.Мадура максимально упростил условия: виртуальный лыжник едет по абсолютно ровной, однородной поверхности, по траектории, состоящей из дуг окружности, соединяемых отрезками прямых. Конечно, постановка задачи не соответствует реальным условиям: ведь склоны всегда неоднородны, траектория лыжника также абсолютно не похожа на дуги окружностей.
    Лыжник двигается по трассе, похожей на реальную: расстояние между вешками равно 9 м, по горизонтали 5 и 6 м, траектория проходит на расстоянии 30 см от вешки, радиус окружностей составляет 1.5-3 м. Силы, которые действуют на лыжника, вычисляются по модели Р.Рейда. Конечно, радиус 1.5 м не встречается на реальных трассах, но для качественного анализа это не имеет значения.


    По схеме понятно: чем меньше радиус, тем больше кривизна поворотов и длина прямолинейных участков, их суммарный уклон также больше. Для учета технического уровня, Дж.Мадура ввел эмпирический коэффициент, имеющий разные значения: для начинающих лыжников, средних, и опытных. Их соотношение обратно пропорционально соотношению средних потерь энергии, по данным Р.Рейда.
    Постановка задачи очень проста, но с ней согласился Т.Фланаган, президент Ассоциации Лыж и Сноуборда США, а также профессор Эрих Мюллер, из Зальцбургского Университета.
    Но даже в такой постановке, задача все равно остается сложной, если решать ее обычными методами, но хитрый студент нашел простой подход: чистую имитацию. На каждой точке трассы, с шагом 5 см, вычислялись силы, действующие в этот момент, увеличивая, или уменьшая скорость. Полученные значения мгновенной скорости сохранялись в памяти системы, потом по ним вычислялась средняя скорость и время прохождения трассы.
    Результаты экспериментов с моделью очень интересны. Выяснилось: для каждого технического уровня есть свой, оптимальный радиус, при котором время прохождения трассы минимально.


    Но при этом, максимальная скорость, на коротком участке трассы, достигается уже при других значениях радиуса! Также заметно, что сама зависимость скорости от радиуса, сильно отличается, для лыжников разного уровня.
    Джон Мадура вычислял также потери энергии: результаты значительно отличаются от данных, полученных на реальных лыжниках, но максимумы и минимумы кривой примерно соответствуют, по этапам поворота.

    Есть также отдельное направление: аккумуляция энергии за счет упругости мышц лыжника. В сети есть много статей по этой проблеме, но только для беговых лыж: возможно, что в горных лыжах она не изучается, или пока нет интересных результатов. Из того, что удалось посмотреть по беговым лыжам: уже известно, что в мышцах и связках аккумулируется не меньше энергии, чем в изгибе лыж! Но освобождение энергии, после снятия нагрузки происходит по сложной кривой, имеющей гистерезис: вот, графики удлиннения мышц при нагрузках с разной продолжительностью:


    И еще: освобождение энергии контролируется лыжником! Он может полностью поглотить ее, аналогично поглощению энергии лыж, разгибаемых в конце поворота, в этом случае упругая энергия также теряется.

    Мы видим: энергетический подход более перспективен, чем традиционный, основанный на анализе сил в шарнирной системе, но более сложен для понимания: ведь в нем изучаются не действия спортсменов, а результаты действий, не имеющие наглядного образа. Жаль, но ИМХО спортсмены и тренеры слишком зациклены на конкретных движениях, не задумываясь об их настоящем, невидимом смысле.

    Удачи!


    ИришкаВ

    Комментарии 19 Комментарии
    1. Аватар для digger
      Интересно и основательно. В беговых лыжах давно известно и один из краеугольных камней успеха. В горных - наверно гораздо сложнее в плане применимости и влияния на конечный спортивный результат.
    1. Аватар для ИришкаВ
      ИМХО в горных лыжах очевидней потенциальная энергия: как главный источник движения.
    1. Аватар для iz3
      Одно из определений энергии - способность совершать работу. Так вот у лыжника её, собственной энергии, довольно много, и он много чего ею делает. Как сопротивляясь действию внешних сил, так и работая против них. Поэтому, на мой взгляд, высота ЦМ -далеко не важный энергетический показатель для собственно лыжника. Упругость мышц - слишком механистическое представление для такого сложного явления. Как-то, мне кажется, потенциал собственно лыжника в рамках этой теории не звучит.

      При ангуляции ЦМ удаляется, уменьшается кривизна его траектории, следовательно ангуляции более выгодна энергетически, чем прямое положение тела, и все аргументы о пользе "столбового" наклона являются не обоснованными!
      Без ангуляции ЦМ удаляется ещё больше (к центру поворота), ещё больше спрямляя траекторию, если говорить о сопряженных поворотах. Да и без них ясно, что, чем ближе ЦМ к центру поворота, тем легче его крутить.
    1. Аватар для ИришкаВ
      Наборот: чем ближе к центру, тем больше кривизна, как 1/R.
      Да, много внутренней энергии, в химической форме, но механическая мощность маленькая: где то читала, пиковая мощность человека, около 3 квт, те. можно совершить большую работу, но слишком медленно, или 1-кратно.
      По Вашему: с какой частотой, чемпион мира может прыгать на 2 м, в высоту? ИМХО максимум: 1 раз в 5 минут, НЕ чаще!
    1. Аватар для iz3
      Да, конечно, крутизна больше, а радиус меньше, т.е. цм дальше от лыж - именно это и позволяет спрямить траекторию промеж вешками.

      На два метра - не часто, а вот со скакалкой довольно резво прыгают. Попробуйте соотнести некую среднюю мощность, ну, скажем, в 1 квт, с данными по потерям, что у Вас приведены.
    1. Аватар для ИришкаВ
      Угу, соотнесла. По графику общей энергии, из статьи М.Супей: потери, во время поворота, около 200 дж/кг, значит для поворота в 1 сек, отн. мощность 200 вт/кг, не?
      Было лень считать мощность, при прыжках, или беге, нашла тут: http://www.tsi.ru/~vlad/ , для спортсменов, отн. мощность 20-30 вт/кг.
    1. Аватар для Skipper
      Цитата Сообщение от iz3 Посмотреть сообщение
      Упругость мышц - слишком механистическое представление для такого сложного явления.
      Вполне реальное явление. Сухожилия тянутся ого-го как, да и сами мышцы тоже.

      Цитата Сообщение от ИришкаВ Посмотреть сообщение
      для спортсменов, отн. мощность 20-30 вт/кг.
      Именно, что для спортсменов, да и то много. 10 ватт/кг - как-то так. В общем, вынужден согласиться: потенциал лыжника слабоват будет.
    1. Аватар для iz3
      Цитата Сообщение от ИришкаВ Посмотреть сообщение
      Угу, соотнесла. По графику общей энергии, ...
      Что-то не понимаю я этих графиков. Если взять среднеслаломный поворот с перепадом высоты в 3-4 метра, то в установившемся режиме (скорость на входе и на выходе примерно постоянная) лыжник может потерять в повороте только этот запас высоты, т.е. 30-40 дж. на килограмм.
      И что у них означают отрицательные энергии?
    1. Аватар для iz3
      Цитата Сообщение от Skipper Посмотреть сообщение
      Вполне реальное явление. Сухожилия тянутся ого-го как, да и сами мышцы тоже.
      Так спору нет, доктор! Вопрос в том, что там можно накопить из энергии за счёт этих упругостей? Это ж не пружины в чистом виде. Мышца сокращается, что-то там двигает, её сухожилия растягиваюся, у антогонистов растягиваются мышцы и сухожилия. Что же, если мышца расслябляется, то это что-то тут же вернётся назад, за счёт этих упругостей? У себя в организме я такого не наблюдал.
    1. Аватар для ИришкаВ
      Цитата Сообщение от iz3 Посмотреть сообщение
      Что-то не понимаю я этих графиков. Если взять среднеслаломный поворот с перепадом высоты в 3-4 метра, то в установившемся режиме (скорость на входе и на выходе примерно постоянная) лыжник может потерять в повороте только этот запас высоты, т.е. 30-40 дж. на килограмм.
      И что у них означают отрицательные энергии?
      Это GS, по X идут метры вдоль ЛПС, 50 м, уклон 24-26 гр., значит перепад > 20 м, скорость 17-18 м/с, потеря скорости, на участке 10-35 м, равна 0.7-1 м/с. А радиус внешней лыжи, около ворот 14-16 м.
      Но не очень понятно: ЧТО принято за 0, правда.
    1. Аватар для Skipper
      Цитата Сообщение от iz3 Посмотреть сообщение
      Мышца сокращается, что-то там двигает, её сухожилия растягиваюся, у антогонистов растягиваются мышцы и сухожилия. Что же, если мышца расслябляется, то это что-то тут же вернётся назад, за счёт этих упругостей?
      Видимо, имеется в виду следующее: лыжник противостоит нагрузке, например, ЦБС. Его тянет вниз, мышца статически напряжена, но немного растягивается (вместе с сухожилием). При выходе из поворота нагрузка быстро снимается, упругие силы вполне могут сложиться с дальнейшим сокращением мышцы (уже динамическим). Наверное, можно высоко подпрыгнуть во время перекантовки. А если еще и лыжа синхронно разогнется - то очень высоко. Другой вопрос - зачем?
      Однако наводит на мысль: не подбирать ли лыжи под упругость мышц? Все будет разгибаться одновременно, процесс еханья сильно улучшится.
    1. Аватар для ИришкаВ
      Цитата Сообщение от Skipper Посмотреть сообщение
      Наверное, можно высоко подпрыгнуть во время перекантовки. А если еще и лыжа синхронно разогнется - то очень высоко. Другой вопрос - зачем?
      ИМХО для дрейфа.
    1. Аватар для iz3
      Цитата Сообщение от Skipper Посмотреть сообщение
      Видимо, имеется в виду следующее: лыжник противостоит нагрузке...
      Да, доктор прав! Он в основном тем и занимается, что противостоит. С небольшими ньюансами в переходные моменты. По сути, большая часть его усилий механической работы не производит, и, следовательно, на энергию не влияет. Разве что в слаломе, где много работы по переброске туловища
      туда-сюда. А чем дальше в скоростные виды, тем эта доля меньшает.

      Только вот, как мне кажется, все эти подсчёты энергии хороши, но, как писал Ильич в статье ""Памяти Герцена", "страшно далеки они от народа"!
      И со мною, как и с Ильичём, спорить уже практически бесполезно!
    1. Аватар для ИришкаВ
      Цитата Сообщение от iz3 Посмотреть сообщение
      По сути, большая часть его усилий механической работы не производит, и, следовательно, на энергию не влияет. Разве что в слаломе, где много работы по переброске туловища
      Цитата Сообщение от iz3 Посмотреть сообщение
      Так вот у лыжника её, собственной энергии, довольно много, и он много чего ею делает. Как сопротивляясь действию внешних сил, так и работая против них.


      Цитата Сообщение от iz3 Посмотреть сообщение
      Только вот, как мне кажется, все эти подсчёты энергии хороши, но, как писал Ильич в статье ""Памяти Герцена", "страшно далеки они от народа"!
      И со мною, как и с Ильичём, спорить уже практически бесполезно!
      Почему?? ИМХО возможна простая обратная связь, для спортсмена: энергии можно считать на ходу, по ускорениям, аналогично инерциальным системам MOCAP. Но тут единственный параметр, его ведь проще отследить, чем положения звеньев тела.
      Вы помните: как все обсуждали в восторге, датчики бокового проскальзывания, ИМХО на skigu? Хоть ЭТО ничего не дает, можно ехать "чище", но медленней, разве нет?
    1. Аватар для iz3
      Ах, мне тоже свойственно заблуждаться, Иришка!
      Цитата Сообщение от ИришкаВ Посмотреть сообщение
      ... Но тут единственный параметр, его ведь проще отследить, чем положения звеньев тела...
      Параметр-то единственный, только зависит от кучи факторов, о которых спортсмену мало что известно. Услыщить он звоночек или что ещё - уходит энергия! - а делать-то что? Тренеру придётся долго совместно анализировать видео с "энергитическими кривыми", чтобы по ним можно было бы о чём-то судить. Вряд ли он станет заниматься такой "исследовательской" работой, если он на видео и так всё видит.
      А вот датчик проскальзывания для спортсмена совершенно понятен, и он знает что с ним делать. В этом разница.

      Я не ретроград там какой, и никогда не был против всяких учёных изысканий. Пусть стараются и пробуют различные подходы к "теме". Наше дело - не спешить с выводами!
    1. Аватар для ИришкаВ
      Но тренер ведь видит всех "своих" спортсменов, и видит разницу в технике, на своем уровне. А измеренное значение подтверждает, или опорвергает его мнение: кто из них едет "лучше". А на этой базе , он уже может давать спортсменам задания, в более развернутой форме.
    1. Аватар для iz3
      Нормальный тренер не позволит всякой высоконаучной фигне что-то там подтверждать или опровергать. если только его сильно не заинтересуют. Вы не знаете тренеров, Иришка! А я долго стоял с ними рядом.
    1. Аватар для ИришкаВ
      Гы. Во многих статьях, данные собраны на спортсменах , из сборных команд, например, Словении, и Норвегии. Значит тренеры принимали учатие в работе, не?
    1. Аватар для Skipper
      Цитата Сообщение от iz3 Посмотреть сообщение
      Нормальный тренер не позволит всякой высоконаучной фигне что-то там подтверждать или опровергать. если только его сильно не заинтересуют.
      Вот-вот. Видимо, словенские и норвежские тренеры отличаются любознательностью и сильно заинтересовались.

      Цитата Сообщение от ИришкаВ Посмотреть сообщение
      Но тренер ведь видит всех "своих" спортсменов, и видит разницу в технике, на своем уровне. А измеренное значение подтверждает, или опорвергает его мнение: кто из них едет "лучше"
      На мой ненаучный взгляд, для этого достаточно измерять время на том же самом участке. Что тренеры и делают испокон веков - без всяких непонятных энергий.
  • Комментарии к статьям

    mister_x

    Что тут скажешь, талантливый и счастливый человек К последнему сообщению

    Сага о лыжнике. Автор Skipper.

    mister_x в 23.09.2017
    mister_x

    Стала Обезьяна президентом ФГСР:D
    СМЕШНО! К последнему сообщению

    Сказка про Обезьяну. Автор Skipper

    mister_x в 23.09.2017
  • Объявления

    Доктор

    Уступлю бронирование на Красной поляне на март

    Автор: Доктор

    Уступлю бронирование на Красной поляне в Эльпида бутик отеле с 26 февраля по 7 марта, двухместный номер с завтраком, оплачены 1 сутки, общая стоимость

    07.01.2018, 14:12 от Доктор К последнему сообщению
    lukina80

    Подбор персонала

    Автор: lukina80

    Занимал Олег Станиславович Верещагин (род. 22/08/1984) в нашем горнолыжном клубе (Новгородская обл.) должность управляющего. Груб, неадекватен и вспыльчив,

    16.09.2017, 22:42 от lukina80 К последнему сообщению
    IgorDaryashin

    Продаю квартиру у горнолыжных склонов

    Автор: IgorDaryashin

    двухуровневая, 5 комн. квартира,
    с сауной и дровяным камином.
    горнолыжные комплексы
    г.Кировск Мурманской области
    3 100 000 руб

    30.06.2017, 16:31 от IgorDaryashin К последнему сообщению
    Messer987

    Продаю камеру GoPro hero 4 silver

    Автор: Messer987

    Продам новую камеру GoPro Hero 4 silver!Все в оригинальной упаковке.
    Так же есть GoPro HERO 4 Session*
    Камеры находятся в Казани.
    (Silver)Цена:23500р.*

    06.06.2017, 01:06 от Messer987 К последнему сообщению
    Xundr

    Продам внутренний фильтр для аквариума от 200 до 300л

    Автор: Xundr

    Добрый вечер всем!
    Продаю внутренний фильтр для аквариума объемом от 200 до 300 литров, описание и все характеристики фильтра можно вот здесь

    29.05.2017, 21:10 от Xundr К последнему сообщению