Archiwa tagu: aerodynamika

Tajniki fizyki w skokach narciarskich. Omawia Łukasz Kruczek

Fizyka okiem eksperta i ciekawostki, o których nie usłyszysz w telewizji. Trafiłeś na niemałą podróż po świecie skoków narciarskich, której przewodnikiem jest trener reprezentacji Polski Łukasz Kruczek.

CZĘŚĆ I: Dlaczego Żyła się kuli, a Stoch drga kolanami? Łukasz Kruczek odsłania tajemnice jazdy po rozbiegu.

Łukasz Kruczek: Metody ruszania zawodników, ich odbijanie się od belki startowej to bardziej osobiste rytuały niż skuteczny sposób na zwiększenie prędkości najazdowej. Oczywiście wypchnięcie się w dobrym kierunku pomoże, ale to zbyt nikłe wartości, by przywiązywać do nich wagę. Korzystne jest natomiast cofnięcie nart jak najwyżej za siebie i takie usadowienie się na belce, by sztucznie wydłużyć długość rozbiegu. Nawet dodatkowe pół metra może pomóc, jeśli pozostałe elementy najazdu zostaną wykonane poprawnie. Mimo wszystko najważniejsza jest aerodynamika i to nie na początku jazdy, gdzie zawodnicy jadą wolno, ale dalej, po przekroczeniu 60-70 km/h. Jeśli skoczek na tym etapie jest poukładany – zyskuje.

W pozycji dojazdowej szukamy przede wszystkim tego, by środek ciężkości był jak najbardziej z przodu, przed punktem podparcia. Ale nie można przesadzić, bo gdy jedzie się na palcach, nie ma mowy o dobrym odbiciu. Organizm człowieka jest tak skonstruowany, że zawsze dąży do równowagi. Jak wańka-wstańka – w którą stronę nie popchniesz, podświadomie będzie chciała wrócić. Nie dałoby się odbić z pozycji, która graniczyłaby z upadkiem. Są specjaliści, którzy próbują tę granicę przeciągać, ale to jest nie tyle ryzykowne, co mało powtarzalne.

Jeden ma ręce bliżej, inny dalej, trzeci trzyma kolana szerzej, a czwarty bardzo wąsko… Zawodnik stwarza sobie w ten sposób tzw. czucie. Ułatwia mu to później odwzorowanie wypracowanego ułożenia kończyn, powtarzalność. Ciało zapamiętuje ustawienie i potrafi w taki sam sposób złożyć się wiele razy. Obrazowo – jak wsuwamy rękę do rękawiczki, w pewnym momencie dochodzimy do granicy wyznaczonej przez materiał. Tak samo kolana, ręce, dłonie też mają swoje warunki krańcowe. Skoczek, mówiąc kolokwialnie, musi poczuć, kiedy czuje się najlepiej.

Piotr Żyła na rozbiegu

To brak powtarzalności w przyjmowaniu pozycji był tak nagłaśnianym przez media problemem Piotra Żyły. Na każdej skoczni była ona inna. Dopiero niedawno przyjął sobie taką sekwencję, która z każdej strony wyznacza mu granice i po ich zbadaniu jedzie już bezpiecznie i stabilnie do progu. Trudność polega na tym, że im krótszy najazd, tym szybciej Piotr musi przejść cały proces, żeby nie stracić na prędkości.

Inną specyficzną rzecz w torach najazdowych wykonywał kiedyś Małysz, a teraz też Stoch. Takie potrząsanie nartami w torach. Zostało to wymyślone podczas poszukiwań brakującej prędkości. Wielu zawodników traci cenne części kilometrów na tym, że jedzie zbyt szeroko lub zbyt wąsko i tym samym ociera nartami o ścianki torów. W ten sposób nie da się osiągnąć maksimum możliwości. Lekkie, żwawe stukanie z boku na bok skraca czas kontaktu narty z bokiem rowków i tym samym zwiększa szanse na dobrą prędkość na progu. Idealnie byłoby w ogóle nie dotykać ścianek, ale to niemożliwe.

schemat środków ciężkości w różnych ustawieniach ciała skoczka

CZĘŚĆ II: Sztuka odbicia

Rozbiegi mają zazwyczaj kąt nachylenia w przedziale 33-36°, choć są od tego wyjątki. Próg także jest pochylony, te bardziej strome mają ok. 11 stopni. Teoria odbicia jest taka: jak najwyżej unieść środek ciężkości przy jak najmniejszych oporach. Jest to wypadkowa wielu działających sił i jako wartość fizyczna nie należy do ciała, dlatego – wbrew mylnemu przekonaniu – nie są to wcale biodra. Od jakości wybicia w skokach zależy bardzo wiele. Mówi się, że idealny jego kąt to 45°, ale niemożliwym jest go osiągnąć. (Jak tłumaczy fizyk Tomasz Rożek na łamach witryny salon24.pl, aby go uzyskać, zjeżdżający ok. 100 km/h zawodnik musiałby wybić się pionowo w górę z porównywalną prędkością.) Tymczasem wybija się on z prędkością pionową „tylko” ok. 2,5 -2,8 m/s, a więc raptem… 10 km/h. Wykres prędkości przedstawia poniższa rycina.

skoczek na progu

CZĘŚĆ III: Czym jest „kąt salta” i dlaczego Jakub Janda tak pięknie się wychyla? Tajemnice latania na nartach.

Łukasz Kruczek: Skoki na obiekcie normalnym różnią się od tych na mamucie. Opory rosną do kwadratu prędkości, w przypadku lotów nagły „hamulec” kosztuje o wiele więcej. Co stracisz w wyniku błędu na progu, już nie odzyskasz – nie będzie z czego odlecieć. Panuje w skokach zależność, że im większa jest skocznia, tym moc wybicia ma stosunkowo mniejsze znaczenie, jak to, by w powietrzu sprawnie ułożyć się w aerodynamicznej pozycji.

opis prędkości na progu dla różnych skoczni

Przeprowadzono badania na jednej ze skoczni mamucich, które wykazały, że przy dobrym skoku prędkość przy lądowaniu jest wyższa od tej na progu o nawet 30%. To pokazuje istotność poprawnej sylwetki w locie. Dużo trudniej określić natomiast, ile procent szybkości można stracić w przypadku złego wybicia.

Kubacki przez długi czas latał bardzo wysoko nad zeskokiem. Teraz udało się to skorygować. Wbrew powszechnemu przekonaniu nie wynikało to z innego kierunku odbicia (jest taki sam, jak innych skoczków), ale z faktu, że Dawid ma po wyjściu z progu bardziej otwarty tułów. Wiąże się to ściśle z aerodynamiką – wchodzi w powietrze bardzo gwałtownie i idzie momentalnie do góry. Niestety przez to zwalnia, ale byli już tacy, którzy skacząc podobną techniką wygrywali Puchary Świata i zdobywali złota olimpijskie. Wiadomo – gdyby nie zwalniał, byłoby lepiej.

To wszystko jest związane z rotacją. Funkcjonuje w środowisku określenie „kąt salta”, tzn. kąt pomiędzy linią łącząca barki z kolanami a kierunkiem najazdu. Czym on jest niższy, tym szybsza jest rotacja. I nawet skacząc jak Dawid można „nakręcić się” dosyć szybko, a co za tym idzie – przenieść ciało nad narty. U niego to się zdarza jeszcze za rzadko, ale pracujemy nad tym. Wystarczy tę technikę ustabilizować.

CZĘŚĆ IV: Sylwetka w locie

Sylwetka w dużej mierze jest wypadkową tego, co się stało na progu. Tak na rozbiegu, jak i w powietrzu każdy zawodnik ma swoje czucie, które podświadomie układa go na nartach, ale kilka niuansów można próbować zmieniać. To m.in. ułożenie głowy, dłoni, można wyregulować rozstawienie nart i do pewnego stopnia także tułowia.

Na skoczka w powietrzu działają trzy siły: przyciągania (skoczek nie ma na nią wpływu), działający hamująco opór powietrza i największy przyjaciel – siła nośna. Specjalne badania wykazały, że dzięki stylowi V zawodnik zyskał aż o 28% więcej powierzchni nośnej. Niestety wartość siły, którą wytwarza lecący skoczek, jest za mała, by się wznosić. Wiąże się to z doskonałością aerodynamiczną, która dla człowieka jest bardzo słaba. W skokach siła nośna ma za zadanie zminimalizować skutki siły grawitacji i po prostu spowolnić spadanie.

Powstawanie siły nośnej tłumaczy Prawo Bernoulliego, które mówi, że suma ciśnień statycznego i dynamicznego w gazie jest stała. Lecący skoczek przypomina z profilu skrzydło samolotu, które na przedniej krawędzi ma większą, niż na tylnej, grubość. Łatwo wyobrazić sobie, że strumień powietrza opływający go od góry ma do przebycia dłuższą drogę od tego, który przepływa pod nartami. Zgodnie z zasadą ciągłości ruchu oba strumienie zrobią to w jednym czasie, dlatego powietrze „górne” musi być szybsze. Właśnie z tego wynika różnica ciśnień powietrza nad i pod zawodnikiem/skrzydłem, która daje rosnącą wraz z kątem natarcia siłę nośną. W podobnej sytuacji znajdzie się nasza dłoń, gdy wystawimy ją za okno jadącego samochodu.

ZOBACZ FILM, KTÓRY TŁUMACZY DZIAŁANIE PRAWA BERNOULLIEGO

stoch vs deschwanden

Jest kilka „modeli” układania się skoczków w locie. Jakub Janda nieprawdopodobnie wykłada się na nartach, Gregor Deschwanden, Olli Muotka czy Andreas Wellinger robią to z kolei o wiele mniej, są otwarci wysoko nad nartami. Kamil Stoch też ma specyficzną pozycję – jego optimum są lekko załamane biodra i nieznacznie zadarte narty. Nie za mocno, by nie stawiać niepotrzebnego oporu. I nie za słabo, bo jeśli ich czubki są skierowane do dołu, tylko przetną powietrze. A po powietrzu trzeba się ślizgać.

Na początku skoczek walczy z powietrzem uderzającym od przodu (poz. A – rysunek poniżej), ale z każdą sekundą kąt ten ulega zmianie. Sztuką jest mieć wówczas jak najmniejszą powierzchnię czołową. Skoczkowie potrzebują ok. 30-40 metrów na ustawienie się (poz. B) – wcześniej ich sylwetki są podobne. Dopiero w drugiej części lotu zauważalna jest różnica, ale pod względem aerodynamicznym należy rozpatrywać ją inaczej. Ciało nie walczy już z poziomymi strugami powietrza, ale z tymi napływającymi pod kątem (poz. C). I wtedy nie ma znaczenia odległość tułowia od nart, bo w realiach dzisiejszych przepisów to powierzchnia ciała oporuje mocniej. Narty mają też mniejszą powierzchnię nośną.

opory w locie

Różne ekipy robią różne rzeczy, by ciało miało jak najlepszą nośność. Dziś przepisy mocno to ograniczają, ale i tak wszyscy szukają jakichś luk. Nie istnieje pytanie „ile to pomaga”, ale raczej „ile przeszkadza konkurencji”. Nie tylko o technologię w tej grze chodzi, ale także o psychologię. Takie nowinki po prostu drażnią.

Jednym z najsłynniejszych rozwiązań były obniżone austriackie kroki za czasów Floriana Liegla. W ostatnim okresie letnim głośno zrobiło się o tajemniczych kamizelkach, które pod kombinezon zakładać mieli Norwegowie. Nie przepuszczają one powietrza i docelowo miały dostarczać dodatkowych metrów. Prawdą jest, że my też je testowaliśmy i właściwie nic nam nie dawały. Efektem ich ubierania była niższa prędkość w powietrzu. Nie skreśliliśmy ich ostatecznie, ale żeby pomagały, wymagałoby to całkowitej zmiany techniki skakania. Ubieranie tych elementów powoduje, że robimy zawodnika „większego” u góry, ale taki bagaż jest umocowany daleko od środka ciężkości. Efektem tego jest zwolnienie rotacji. Gdyby takie ubranka dało się założyć w okolice ud, miednicy – wszyscy już by je mieli.

Materiał zrealizowany dla Skipol.pl, część fotografii dzięki uprzejmości Tadeusza Mieczyńskiego.