Одна только скорость может быть фактором, который привлекает внимание многих любителей спорта к соревнованиям по бобслею, санному спорту и скелетону на зимних Олимпийских играх. Но под захватывающими спусками по извилистой, покрытой льдом трассе скрывается множество концепций из физики. Именно то, как спортсмены взаимодействуют с физикой, в итоге определяет самые быстрые пробеги среди остальных. Профессор физики из университета Линчберга Джон Эрик Грофф изучает физику спорта. Большую часть азарта и удовольствия от санного спорта легко пропустить — движения спортсменов часто слишком малы, чтобы их можно было заметить, поскольку они выглядят не более чем размытым пятном на экране вашего телевизора. Было бы легко предположить, что участники просто падают или скользят по дорожке из-за силы тяжести. Но эта мысль просто проходится по поверхности всей тонкой физики, которая лежит в основе заездов золотых медалистов. Гравитация и энергия Гравитация — это то, что заставляет сани двигаться по обледенелым трассам в соревнованиях по бобслею, санному спорту и скелетону. Общая физика проста: старт с некоторой высоты, а затем падение вниз, что позволяет силе тяжести разогнать спортсменов до скоростей, приближающихся к 145 км/ч. В этом году гонки проходили в Национальном центре санного спорта Яньцин. Длина трассы составляет примерно 1,6 км. Перепад высот — 121 метр (причем самый крутой участок имеет невероятный уклон 18% и состоит из 16 поворотов). Спортсмены в санном спорте достигают своей высокой скорости из-за преобразования потенциальной энергии гравитации в кинетическую. Гравитационная потенциальная энергия представляет собой накопленную энергию и увеличивается по мере того, как объект поднимается дальше от поверхности Земли. Потенциальная энергия преобразуется в другую форму энергии, как только объект начинает падать. Кинетическая энергия — это энергия движения. Причина, по которой летящий бейсбольный мяч разбивает стекло при попадании в окно, заключается в том, что мяч передает свою кинетическую энергию стеклу. И гравитационная потенциальная энергия, и кинетическая энергия увеличиваются по мере увеличения веса, а это означает, что в бобслейной команде из четырех человек энергии больше, чем в санном спорте или скелетоне, где всего один человек. Спортсмены имеют дело с большой кинетической энергией и серьезной силой. Когда снаряжение входит в поворот со скоростью 129 км/ч, оно подвергается ускорению, которое может в пять раз превышать нормальное гравитационное ускорение. Бобслей, санный спорт и скелетон могут показаться простыми, но на самом деле это совсем не так. Аэродинамика Длина большинства трасс составляет около 1,6 км, и спортсмены преодолевают это расстояние менее чем за минуту. Окончательное время рассчитывается путем сложения четырех прогонов. Разница между золотой и серебряной медалями в мужском одиночном катании на зимних Олимпийских играх 2018 года составила всего 0,026 секунды. Даже крошечные ошибки, допущенные лучшими спортсменами мира, могут стоить медали. Все спортсмены начинают с одинаковой высоты и спускаются по одной и той же дорожке. Таким образом, разница между первым местом и остальными заключается не в гравитации и потенциальной энергии, а в быстром старте, максимальной аэродинамике и выборе кратчайшего пути по трассе. В то время как гравитация тянет спортсменов и их сани вниз по склону, они постоянно сталкиваются с частицами воздуха, которые создают силу, называемую сопротивлением воздуха, отталкивающую спортсменов и сани в направлении, противоположном их скорости. Чем аэродинамичнее спортсмен или команда, тем больше скорость. Чтобы свести к минимуму сопротивление воздуха, спортсмены, лежащие лицом вверх, стараются разместить свое тело как можно ровнее. То же самое делают скелетонисты, смотрящие вниз. Бобслеисты (команда из двух или четырех человек) остаются плотно зажатыми внутри саней, чтобы уменьшить площадь, доступную для удара потока воздуха. Любые ошибки в размещении тела могут сделать спортсменов менее аэродинамичными и привести к небольшому увеличению времени, которое стоит им медали. И эти ошибки трудно исправить ускорением и силой. Самый короткий путь Другое важное различие (помимо максимально возможной аэродинамики) между быстрым и медленным заездом заключается в пути, по которому движутся сани. Если спортсмены минимизируют общую длину своего снаряда и будут избегать зигзагов по трассе, то преодолеют расстояние быстрее. Сокращение пути влечет за собой меньшее сопротивление воздуха и меньшую потерю скорости из-за трения с трассой. Зрители часто упускают из виду тонкости, связанные с поворотами и рулевым управлением. Сани для всех соревнований делают на стальных полозьях. В бобслее есть два комплекта полозьев, которые соприкасаются со льдом. Рулевой (пилот) тянет за кольца, которые вращают передние направляющие. В санном спорте спортсмен, двигая головой и плечами или сгибая колени, может поворачивать сани в нужную сторону. У скелетонистов нет этих элементов управления, и они должны поворачивать сани, смещая корпус. Даже крошечное движение головы способно заставить скелетон сместиться с оптимальной траектории. Все эти незаметные движения трудно увидеть по телевизору, но последствия могут быть серьезными — избыточные движения тела легко приведут к столкновениям со стенкой трассы или даже к авариям. Неправильное рулевое управление снизит скорость и обеспечит потерю времени. Может показаться, что спортсмены просто скользят по обледенелой трассе на больших скоростях после начала движения, но вы уже сами убедились, сколько есть нюансов и влияющих факторов. По материалам «The high-speed physics of how bobsled, luge and skeleton send humans hurtling faster than a car on the highway» The Conversation