Η φυσική του άλματος με σκι

Αν εσείς ή εγώ πηδήξουμε όσο το δυνατόν πιο ψηλά στον αέρα, μπορούμε να μείνουμε πάνω από το έδαφος για περίπου μισό δευτερόλεπτο. Ο Νίκος Γκάλης μπορούσε να μείνει ατον άερα για σχεδόν ένα δευτερόλεπτο. Ενώ υπάρχουν πολλά αθλήματα στους ολυμπιακούς αγώνες στα οποία οι αθλητές με θαυμαστό τρόπο κατορθώνουν, έστω και για λίγο να βρίσκονται ψηλά στον αέρα, κανένα όμως δεν φτάνει το άλμα με σκι (ski jumping). Στο άλμα με σκι οι αθλητές αφού ολισθήσουν σε μια ράμπα απογείωσης, εκτελούν άλμα με σκοπό να προσγειωθουν ομαλά όσο πιο μακριά γίνεται.

Το άλμα με σκι είναι ίσως ένα από τα πιο εντυπωσιακά αθλήματα των χειμερινών ολυμπιακών αγώνων. Οι αθλητές προσπαθούν να νικήσουν την βαρύτητα και να παραμείνουν στον αέρα για πέντε έως επτά δευτερόλεπτα καθώς διανύουν μια απόσταση όσο το μήκος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου. Πώς καταφέρνουν κάτι τέτοιο;

Τρεις είναι δυνάμεις που καθορίζουν το άλμα με σκι: το βάρος, η δυναμική άνωση (ή άντωση) και η οπισθέλκουσα (ή αντίσταση του αέρα):

Οι τρεις δυνάμεις από τις οποίες εξαρτάται το άλμα με σκι: το βάρος (mg), η δυναμική άνωση (FL) και η οπισθέλκουσα (FD). Με α συμβολίζεται η λεγόμενη γωνία πρoσβολής.

Η βαρύτητα δρα σε όλα τα σώματα και οι αθλητές δεν μπορούν να κάνουν τίποτα για να μειώσουν την επίδρασή της. Όμως οι αθλητές αλληλεπιδρούν και με τον αέρα καθώς κινούνται. Κι αυτή η αλληλεπίδραση μπορεί να προκαλέσει την δυναμική άνωση (άντωση). Πρόκειται για μια συνιστώσα της δύναμης που ασκείται από τον αέρα, σε διεύθυνση κάθετη στην κίνηση του σώματος και στην συγκεκριμένη περίπτωση πρέπει να έχει φορά προς τα πάνω. Εφόσον η δύναμη της άντωσης εξισορροπεί κατά προσέγγιση την δύναμη της βαρύτητας, ένα σώμα μπορεί να πετάξει.

Για να εμφανιστεί η άντωση, το σώμα πρέπει να κινείται. Καθώς το αντικείμενο κινείται μέσα στον αέρα, η επιφάνειά του συγκρούεται με σωματίδια αέρα και ωθεί αυτά τα σωματίδια έξω από τη διαδρομή του αντικειμένου. Μια απλοϊκή, και γι’ αυτό ελκυστική, αφήγηση μας λέει ότι, καθώς τα σωματίδια του αέρα ωθούνται προς τα κάτω, το αντικείμενο ωθείται προς τα πάνω σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα που λέει ότι για κάθε δράση, υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση. Τα σωματίδια του αέρα που σπρώχνουν ένα αντικείμενο προς τα πάνω είναι αυτά που δημιουργούν την δυναμική άνωση. Και η αύξηση της ταχύτητας καθώς και η αύξηση της επιφάνειας θα την ενισχύσουν. Η γωνία του ιπτάμενου αντικειμένου σε σχέση με την κατεύθυνση της ροής του αέρα (η γωνία προσβολής α) – μπορεί επίσης να επηρεάσει την άντωση. Με πολύ μεγάλη γωνία το αντικείμενο θα σταματήσει πολύ γρήγορα, ενώ με πολύ μικρή δεν ωθούνται τα σωματίδια του αέρα προς τα κάτω και δεν υπάρχει άντωση.

Κι αν όλα αυτά σας να φαίνονται περίπλοκα τότε την επόμενη φορά που θα βρεθείτε σε κινούμενο όχημα κάντε το εξής πείραμα: βγάλτε χέρι σας έξω από το παράθυρο (εννοείται με την απαραίτητη προσοχή) και πειραματιστείτε σχετικά με την γωνία που πρέπει να κρατάτε το χέρι σας ώστε αυτό να ‘αιωρείται’ από μόνο του, χωρίς εσείς να καταβάλλετε κάποια προσπάθεια. Έτσι θα βιώσετε την δυναμική άνωση ή άντωση.

Οι ίδιες συγκρούσεις μεταξύ του αντικειμένου και των μορίων του αέρα προκαλούν επίσης και την δύναμη της αντίστασης του αέρα ή οπισθέλκουσας. H οπισθέλκουσα αντιστέκεται στην κίνηση οποιουδήποτε αντικειμένου και το επιβραδύνει. Καθώς η ταχύτητα μειώνεται, η άντωση μειώνεται επίσης, περιορίζοντας έτσι την διάρκεια της πτήσης.

Για τους άλτες του σκι, ο στόχος είναι να τοποθετήσουν προσεκτικά το σώμα τους ώστε να μεγιστοποιούν την δυναμική άνωση και να ελαχιστοποιούν την οπισθέλκουσα, όσο το δυνατόν περισσότερο:


Οι σκιέρ ξεκινούν να ολισθαίνουν από ψηλά σε μια πλαγιά ώστε να αποκτήσουν ταχύτητα. Ελαχιστοποιούν την οπισθέλκουσα μειώνοντας το εμβαδόν διατομής τους σκύβοντας και κινούνται έτσι ώστε να μειώνουν την τριβή μεταξύ σκι και ράμπας. Την στιγμή που εγκαταλείπουν την ράμπα μπορεί να έχουν ταχύτητα έως και 96 χιλιόμετρα ανά ώρα.

Η ράμπα τελειώνει έτσι ώστε η προέκτασή της να σχηματίζει γωνία 10 μοιρών προς τα κάτω σε σχέση με την ορζόντια διεύθυνση. Μόλις οι αθλητές φτάσουν στο τέλος της ράμπας, πηδούν. Η πίστα προσγείωσης του σκι έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να μιμείται την διαδρομή που θα ακολουθήσει ο άλτης, έτσι ώστε να μην βρεθεί ποτέ πάνω από 3 έως 5 περίπου μέτρα από το έδαφος.

Οι άλτες προσπαθούν να προκαλέσουν όσο το δυνατόν μεγαλύτερη άντωση, ελαχιστοποιώντας ταυτόχρονα την οπισθέλκουσα. Οι αθλητές δεν θα μπορέσουν ποτέ να δημιουργήσουν αρκετή άντωση για να υπερνικήσουν πλήρως τη βαρύτητα, αλλά όσο περισσότερη άντωση προκαλούν, τόσο πιο μεγαλύτερη είναι η πτήση τους. Για να γίνει αυτό, οι αθλητές ευθυγραμμίζουν τα πέδιλα του σκι και το σώμα τους σχεδόν παράλληλα με το έδαφος – και τα πέδιλά τους σχηματίζουν V. Αυτή η θέση αυξάνει το εμβαδόν της επιφάνειας που προκαλεί την άντωση και δημιουργεί την ιδανική γωνία προσβολής που θα μεγιστοποιήσει την άντωση. Καθώς η οπισθέλκουσα μειώνει την ταχύτητα του σκιέρ, η άντωση μειώνεται και η βαρύτητα συνεχίζει να έλκει προς τα κάτω τον άλτη. Ο αθλητής θα αρχίσει να πέφτει όλο και πιο γρήγορα μέχρι να προσγειωθεί.

Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν το μέγεθος του άλματος, όπως η ένταση και η φορά του ανέμου, το είδος του εξοπλισμού που φέρει ο αθλητής, ακόμη και το ίδιο το σώμα του. Γι αυτό υπάρχουν πολλοί κανονισμοί.

Για παράδειγμα το σημείο εκκίνησης μπορεί να μεταβάλλεται ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, καθώς οι ταχύτεροι αντίθετοι άνεμοι θα προκαλέσουν μεγαλύτερη άντωση, επομένως και μεγαλύτερα άλματα που θα μπορούσαν να ξεπεράσουν και την ασφαλή περιοχή προσγείωσης. Τα πέδιλα του σκι πρέπει να έχουν το κατάλληλο μήκος που να συνδέεται με το ύψος και το βάρος του σκιέρ. Μπορούν να είναι το πολύ 145% του ύψους του σκιέρ και οι σκιέρ με δείκτη μάζας σώματος μικρότερο από 21 πρέπει να φορούν μικρότερα πέδιαλα! Τα μεγάλα πέδιλα δεν είναι πάντα τα καλύτερα, καθώς όσο πιο βαριά είναι, τόσο μεγαλύτερη άντωση πρέπει να παραχθεί. Τέλος, οι σκιέρ πρέπει να φορούν στενές στολές ώστε να μην δημιουργείται μια πρόσθετη τεχνητή αιτία άντωσης.

Ενώ λοιπόν παρακολουθούμε τους ολυμπιακούς αγώνες θαυμάζοντας τα κατορθώματα των αθλητών, αξίζει να αφιερώσουμε λίγο χρόνο για να σκεφτούμε πως οι επιτυχίες τους οφείλονται κατά μεγάλο ποσοστό στην σωστή εφαρμογή βασικών νόμων της φυσικής.

πηγή: https://www.scientificamerican.com/article/olympic-ski-jumping-falling-or-flying-in-style/



Κατηγορίες:ΜΗΧΑΝΙΚΗ

Ετικέτες: ,

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: