Главная
Фотоальбомы
Статьи
Поиск
Регистрация
Категории
Разделы
Последние темы
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.
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
Ответ
Комментарии к статьям
Присутствуют
Голосование