ЩОБ ПОВЕРНУТИ, нахил голови
Доктор технічних наук В. Балакіна (м Гомель).
Спостерігаючи по телевізору за змаганнями з санного спорту, кожен, ймовірно, згадує свій дитячий захват від швидкого ковзання санок по довгому схилу гори. Однак спортсмен-саночник відчуває зовсім інші емоції. Спуск по крижаному жолобу зі швидкістю понад 100 км / ч вимагає від нього великої мужності і майстерності. Складну трасу потрібно пройти, не торкаючись бортів (інакше втратиш час, а то й отримаєш травму), по оптимальній траєкторії на віражах і в кільці. Нерідко спортсмен, виграючи по часу старт і середину дистанції, майстерно керуючи саньми, все-таки програє заїзд на нижніх ділянках траси. Чому це відбувається, відповісти часто не може ні він сам, ні його досвідчений тренер. І мало хто з глядачів знає, як управляють саньми, що не мають поворотних полозів. Спробуємо розібратися у всьому цьому.
Cанние і бобслейні траси - споруди складні і досить протяжні (див. "Наука і життя" №3,1983 р). Побудовані вони зазвичай на схилах гір або пагорбів і нерідко залиті льодом зі штучним охолодженням. Перепад висот між точками старту і фінішу санної траси досягає 126 метрів, а її довжина разом з гальмівним ділянкою, мають ухил "вгору", доходить до 1400 метрів. На кожній трасі є понад десяток віражів, ухили різної крутизни, кільцеві ділянки, "гірки" та інші особливості.
Єдина вітчизняна траса була побудована в латвійському місті Сігулда на схилі річки Гауя, і її відмітка старту для чоловіків піднята над високим берегом ще на висоту п'ятиповерхового будинку. Вона задовольнив ряется всім міжнародним стандартам і дозволяла СРСР свого часу претендувати на проведення зимових Олімпійських ігор. Сьогодні в Росії подібної траси немає, а спроби побудувати таку ж поблизу Сочі (район містечка Червона Поляна) були відкладені у зв'язку з політичною нестабільністю в Абхазії.
На латвійської трасі є 15 віражів, кільце перед фінішем, чотири стартові ділянки (бобслейний, чоловічий, жіночий і юнацький), довгий прямолінійний спуск з ухилом 8,5 про між чотирнадцятим і п'ятнадцятим віражами і "гірка" з опуклістю вгору на виході з п'ятнадцятого віражу і вході в кільце.
У санному спорті результат заїзду залежить від початкової швидкості, отриманої спортсменом на старті, майстерності управління саньми і якості саней. Подивимося, що відбувається під час руху по трасі.
Спортсмен сідає на пластикове ложе саней і береться за стартові ручки на початку траси. Гойднувшись кілька разів разом з саньми вперед-назад і відштовхнувшись від ручок, він виїжджає на похилий прямолінійний ділянку траси. У цей момент фотоелектричний датчик включає секундомір. Досвідчений спортсмен встигає ще три-чотири рази відштовхнутися руками в шипованих рукавичках від льоду і збільшити швидкість. Після цього він лягає на сани.
Ковзання саней відбувається під дією скочується сили - проекції ваги саней зі спортсменом на напрямок руху. А гальмує їх сила тертя полозів по льоду, яка залежить від величини коефіцієнта тертя. Величина ця непостійна: вона зменшується до якоїсь межі під час руху, коли лід під полозами починає підтавати. Саме тому, до речі, перед стартом спортсмен і розгойдує сани: він "нагріває" полози тертям. При русі по криволінійних ділянках траси - віражів, кільцю і "гірці" - виникають ще й відцентрові сили, напрямок яких залежить від орієнтації ділянки. В кінці траси, де швидкість максимальна, вони можуть в п'ять разів перевищувати вагу саней.
Тут і укладено відповідь на питання: чому на міжнародних змаганнях 80-х років наші спортсмени незмінно "застрявали" на нижніх ділянках траси і займали лише четверті-п'яті місця? З'ясувалося, що вся справа в конструкції саней. Їх полози зігнуті в вертикальній площині, щоб можна було вписатися у віраж, що не врізаючись в стінку траси. Коли сани ковзають по прямому участ-0ку, довжина контакту полоза з льодом невелика. Ще менше вона при проходженні "гірки". Сила тертя, що гальмує сани, тут дуже мала. Але на нижніх, увігнутих, ділянках траси вона різко зростає. По-перше, полози там спираються на лід по всій довжині. А по-друге, під дією великої відцентрової сили починають деформуватися кронштейни, що кріплять обтічник саней до полозів. Полози стають злегка непаралельними; через це збільшується ширина доріжок тертя - подряпин на льоду. Тертя зростає, швидкість падає. Звідси був зроблений висновок: перед змаганнями необхідно ретельно перевіряти паралельність полозів під навантаженням, в кілька разів перевищує вагу саней зі спортсменом.
При русі саней виникає ще одна сила - сила аеродинамічного опору, яка дуже швидко збільшується зі зростанням швидкості спуску (пропорційно її квадрату). Щоб зменшити силу опору, спортсмен під час руху лежить на санях, стежачи за трасою бічним зором. Недосвідчені саночники на складних ділянках траси піднімають голову, намагаючись краще розгледіти дорогу. Хороших результатів так показати не можна: піднята голова збільшує площу поперечного перерізу саней і, отже, силу лобового опору.
Але ця ж сила дозволяє управляти саньми. Спортсмену досить нахилити голову в сторону плеча, щоб виникло додатковий тиск, що не співпадає з центром мас саней. Сили цього тиску вистачає, щоб сани почали повертати. Саме так і змінюють траєкторію руху саней на віражі.
Чи можна якось збільшити швидкість спуску? Виявляється, можна. Для цього є два шляхи: збільшити скочується силу і зменшити силу опору. Але тут є свої обмеження.
Величина скочується сили залежить від маси саней разом зі спортсменом. Правила між народних змагань визначають, що маса одномісних саней не повинна перевищувати 22 кілограмів, а двомісних - 24 кілограмів. Спортсменам дозволяється застосовувати додаткову вагу в вигляді пояса або жилета - чоловікам не більше 10, а жінкам 8 кілограмів.
На закінчення кілька слів про бобслеї. Він відрізняється від санного спорту тим, що його сани - боб - мають не полози, а дві пари ковзанів. Передніми ковзанами управляє рульової або, як його ще називають, пілот. Боби бувають двомісними та чотиримісними. на старті спортсмени розганяють боб і встрибують в нього на ходу. Боби рухаються повільніше саней, і спортсмени більш захищені його обтічним корпусом від ударів об борти траси.
ПОДРОБИЦІ ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ
ШВИДКІСТЬ УЗВОЗУ І МАСА
Подивимося, як впливає маса системи сани - спортсмен на швидкість спуску. Розглянемо рівняння її руху в якийсь фіксований момент часу t:
ma = mgsin - kN - c # 961; sv 2/2.
Цей вислів для другого закону Ньютона; зліва - добуток маси на прискорення, а праворуч - сума всіх діючих сил: скочується сили, сили тертя і сили лобового опору. позначення:
m - маса саней зі спортсменом; v - швидкість; a - прискорення; k - коефіцієнт тертя; c - коефіцієнт лобового опору; # 961; - щільність повітря; s - площа поперечного перерізу системи сани - спортсмен; N - нормальна (перпендикулярна до поверхні) навантаження.
Величина N залежить від того, по якій ділянці траси рухаються сани: N = mg cos # 945; на прямолінійних ділянках і
(Де r - радіус кривизни траєкторії) на віражах, як рівнодіюча проекції сили тяжіння на перпендикуляр до траєкторії і відцентрової сили.
Маса входить в усі члени рівняння (в прихованому вигляді навіть в площа поперечного перерізу s), так що на швидкість спуску вона начебто впливати не повинна. Однак відбувається парадоксальне явище: збільшення маси призводить не тільки до зростання скочується сили, а й до зменшення сили тертя. Сила нормального тиску N при зростанні ваги теж зростає, і це дійсно повинно привести до посилення тертя на будь-який "нормальної" поверхні. Але тільки не на льоду: він починає інтенсивно плавитися, стаючи набагато більш слизьким. В результаті сума сил в правій частині рівняння збільшується, прискорення, а значить, і швидкість спуску, зростає.