Наука спорта

Подумайте о «спорте», и слова, которые приходят на ум,
скорее всего, будут фитнес, упражнения, соревнования, выносливость… и веселье;
«наука», вероятно, не входит в их число. Очевидно для любого, кто любит спорт, что
это мощная демонстрация того, как расширить границы возможностей человеческого тела.
Менее очевидно, что спорт — это столь же мощная демонстрация науки. От передовых
композитных материалов, упакованных в
гоночные велосипеды и теннисные ракетки, до
математики 17-го века, которая изгибает бейсбольные мячи в воздухе, наука
является основой почти каждого вида спорта, который вы захотите упомянуть. Как
Усэйн Болт может бежать намного быстрее вас? Заставит ли деревянная бейсбольная бита
вас играть лучше, чем сделанная из алюминия? Что именно происходит с футбольным мячом, когда он
изгибается от вашего ботинка, виляет по небу и врезается в сетку?
Как вы увидите через мгновение, на такие вопросы
есть захватывающие научные ответы!

Фото: Гольф: Вы учитесь играть в такую ​​игру, ударяя по мячу сотни или тысячи раз.
Ваш мозг учится соотносить то, как вы двигаете мышцами, с местами, где оказывается мяч; в конце концов, после достаточной практики, вы сможете поместить мяч туда, куда захотите. Теоретически, робот мог бы играть так же эффективно, если бы вы запрограммировали его с помощью законов физики или если бы вы позволили ему практиковаться и учиться на своих ошибках, используя
нейронную сеть (тип компьютерной модели, которая обучается на опыте, как мозг). Фото Эрика Треттера предоставлено ВМС США и Wikimedia Commons.

Почему мы говорим, что спорт научен?

Наука — это понимание того, как работает мир, с помощью теорий, проверенных в ходе экспериментов.
На первый взгляд, спорт кажется чем-то другим:
упорные тренировки, чтобы победить противника (другого человека или команду, часы или
рулетку, или, может быть, просто этот надоедливый голосок в
вашей голове, который постоянно подталкивает вас к тому, чтобы выступить лучше).

Присмотритесь к спорту повнимательнее, и вскоре станет
очевидно, что наука играет в нем большую роль. Человеческое тело
само по себе, очевидно, является научным чудом, которое
может превратить плотный завтрак в чемпионат по футболу, рекордный спринт или
титул чемпиона по боксу в тяжелом весе. Но оставив в стороне базовую биологию, есть
еще много способов, которыми спорт опирается на науку. Физика, например, говорит нам, как далеко
вы можете ударить или бросить мяч, но она также объясняет, как быстро пловец может прорезать воду, как
ныряльщик может делать сальто и даже почему прыгунам в длину приходится
так резко двигать руками, когда они летят по воздуху. Давайте более подробно рассмотрим науку,
лежащую в основе нескольких различных видов спорта: виды спорта с мячом (включая теннис,
футбол и бейсбол), легкая атлетика (легкая атлетика), скоростные виды спорта (такие как велоспорт
и плавание) и виды спорта, которые бросают вызов гравитации и равновесию (гимнастика, BMX и
скейтбординг).

Бей и беги: виды спорта с мячом

Если вы изучали физику в школе, вы знаете, что мы можем использовать несколько относительно
простых математических уравнений, чтобы предсказать параболическую (перевернутую букву U) траекторию объекта, летящего по воздуху. Эта наука называется
баллистикой, и она управляет всем, от
того, как пули вылетают из винтовок, до того, как мячи для крикета взлетают в небо. Основная идея
проста. Когда вы бросаете или бьете по мячу вверх, вы прикладываете силу, которая
заставляет его ускоряться (приобретая как вертикальную, так и горизонтальную
скорость). Вертикальная (восходящая) скорость и горизонтальная (боковая)
скорость независимы друг от друга, хотя обе важны, если
вы пытаетесь заставить мяч улететь как можно дальше. Когда мяч взлетает, сила тяжести тянет его обратно вниз, замедляя его вертикальную скорость до нуля (когда он достигает пика своей траектории),
а затем ускоряя его обратно к земле. Легко
подсчитать, как долго мяч будет находиться в воздухе, и, используя это, вы
можете выяснить, какое расстояние он пролетит (
другими словами, дальность его полета), умножив время в воздухе на горизонтальную скорость мяча.

Теоретически, чтобы мяч пролетел
как можно дальше, нужно ударить его под углом 45°; простая математика
говорит нам, что угол должен давать максимальную дальность полета. На практике вам
нужно учитывать различные другие факторы, такие как сопротивление воздуха (которое
зависит от размера и текстуры поверхности мяча, а также от того, насколько быстро он летит),
вращение мяча и так далее; учтите эти факторы, и вы обнаружите, что
идеальный угол может быть больше или меньше 45°, в зависимости от того, по какому мячу вы бьете и как.
Например, если вы бьете по мячу для гольфа, когда ветер дует вам в спину, вы можете
ударить его под более крутым углом. Это означает, что он будет оставаться в воздухе дольше.
Хотя в этом случае он обычно пролетит меньшее расстояние,
ветер перенесет его дальше за то же время, чем если бы вы ударили его
под более пологим углом. Более того, скорость ветра будет
выше на большем расстоянии от земли, поэтому вы можете использовать более сильный поток воздуха
и таким образом увеличить расстояние. Если вы едете против встречного ветра,
вам, возможно, лучше выбрать более пологий угол, чем 45°. Хотя мяч будет лететь ниже,
у него будет более высокая горизонтальная скорость, что даст ему больше мощности для преодоления
ветра и потенциального дальнейшего полета. (На практике, по причинам, в которые я не буду вдаваться,
удар по мячу для гольфа более умелый и сложный, чем этот, и включает в себя такие факторы, как то, насколько
быстро вы заставляете мяч вращаться, как наклонная клюшка ударяет по мячу и так далее. Я говорю
здесь о теоретической науке, а не пытаюсь предложить практические уроки игры в гольф.)

Фото: Забить гол: чистое мастерство или хитрая физика? Ваш мозг вычисляет траекторию мяча и придумывает, как ударить его, чтобы он достиг определенной точки. Если на пути есть люди, вы можете раскрутить мяч так, чтобы он пролетел по воздуху и обогнул их. Опытные игроки учатся этому методом проб и ошибок, но ученый также может выяснить, как добиться того же эффекта, используя законы аэродинамики. Фото Гэри Николса предоставлено ВМС США.

Передача энергии

Когда вы пытаетесь ударить или пнуть мяч как можно сильнее, то, что вы
пытаетесь сделать, говоря научным языком, это передать как
можно больше кинетической энергии от вашего тела к мячу. В спорте, где вы используете биту, бита служит
посредником в этом процессе, помогая вам передавать энергию более
эффективно.

Одной из действительно интересных вещей в видах спорта с мячом является широкий спектр различных бит
и мячей, которые используются; хотя основные размеры биты и мяча могут быть указаны в правилах
конкретного вида спорта, вы все равно можете найти огромное разнообразие. Биты бывают всех форм и размеров, из дерева разных видов, металлов,
таких как алюминий, и высокотехнологичных композитов и углеродных волокон;
конструкция биты оказывает огромное влияние на то, как мяч будет реагировать, и разные биты будут давать очень разные результаты, даже если вы приложите абсолютно одинаковую силу. Мячи также очень разнообразны: все от идеально гладких, очень твердых бильярдных шаров и немного более мягких мячей для гольфа (с их аэродинамической ямчатой ​​поверхностью), через мячи для крикета и бейсбола (со сложными внешними узорами стежков, называемыми «швами») и мягкие резиновые теннисные мячи, вплоть до футбольных и баскетбольных мячей и тех странных форм мячей для регби.

Фото: Когда сталкиваются два бильярдных шара, мы можем получить почти полную передачу энергии — это известно как упругое столкновение.
Фото Бриттани Й. Бейтман предоставлено ВВС США.

Ударьте по твердому мячу твердой битой, и вы попытаетесь осуществить
то, что физики называют
упругим столкновением.
Сбивает с толку то, что «упругое столкновение» не означает, что в этом
участвует какая-либо упругость или что-то отдаленно напоминающее резину или упругость; это просто формальный,
научный способ сказать, что вся кинетическая
энергия вашей биты до столкновения передается мячу
(и бите) после столкновения. Когда бильярдный шар врезается
во второй, идентичный шар и внезапно останавливается, отбрасывая
второй шар почти со всем импульсом, который изначально имел первый шар, это примерно так близко,
как мы когда-либо подходили к упругому столкновению. Силы, участвующие в столкновениях, таких как это,
могут быть значительными. Один из самых основных законов физики, второй закон движения Исаака Ньютона, гласит, что требуется вдвое больше силы, чтобы
разогнать мяч до определенной скорости, если вы делаете это за половину времени. Поэтому быстрые, упругие
столкновения между твердыми мячами (или твердыми мячами и твердыми битами) требуют большей силы, чем более медленные, более мягкие столкновения
между более мягкими мячами (или более мягкими мячами и более мягкими битами), когда энергия передается от биты к мячу в течение более длительного периода времени и с меньшей силой. (Вот почему автомобили спроектированы так, чтобы сминаться при столкновении: замедление столкновения уменьшает силы, испытываемые людьми внутри, увеличивая их шансы на выживание.)

Фото: В бейсболе используется твердая деревянная или металлическая бита и довольно твердый мяч из кожи и резины. Однако, поскольку мяч немного «прогибается», столкновение биты и мяча менее упругое, чем в бильярде. Фото Шеннон Макмиллан предоставлено Корпусом морской пехоты США.

В футболе используется мяч среднего размера, довольно мягкий, надувной. Удар головой подразумевает неупругое столкновение, при котором импульс и энергия несовершенно передаются от головы к мячу. Представьте, какие футбольные бутсы вам понадобились бы, если бы футбольные мячи были сделаны из цельного дерева. Согласно моим быстрым расчетам, деревянный футбольный мяч был бы примерно в девять раз тяжелее, поэтому вам нужно было бы приложить в девять раз больше энергии, чтобы подбросить его на ту же высоту. Если бы вся эта энергия исходила от вашей ноги, ваша нога должна была бы двигаться примерно в три раза быстрее во время удара, чтобы иметь в девять раз больше энергии для передачи. Вам нужно было бы приложить в девять раз больше силы, чтобы пнуть неподвижный деревянный мяч с той же скоростью или бить с той же силой в девять раз дольше, ни то, ни другое не кажется возможным. Использование такой большой силы для удара по мячу очень быстро утомит игроков и сделает игру намного менее интересной.

Фото: Удар ногой или головой по футбольному мячу подразумевает неупругое столкновение с вашим телом. Фото Кристофера Раддера предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Удар по твердому кожаному крикетному мячу твердой деревянной битой несколько менее эластичен, чем столкновение двух бильярдных шаров, потому что мяч и бита немного изгибаются и деформируются во время столкновения (что
тратит определенное количество энергии), и по разным другим причинам энергия не передается идеально. В видах спорта, где используются твердые мячи, обычно приходится бить по мячу довольно сильно, чтобы заставить его двигаться быстро, потому что он довольно плотный и тяжелый. (Опять же, второй закон движения Ньютона говорит нам, что для
ускорения тяжелого мяча нужна большая сила, чем для более легкого.)

Анимация: Мягкий мяч деформируется при ударе о твердую поверхность. Материалы, из которых сделан мяч, сжимаются и расплющиваются, а воздух внутри также сжимается, оказывая давление, которое заставляет мяч быстро возвращаться в форму. Хотя этот процесс выглядит полностью обратимым, часть энергии всегда теряется, поэтому отскакивающий мяч никогда не может вернуться на ту же высоту, с которой он изначально упал.

Не во всех видах спорта используются твердые биты и мячи. В некоторых видах спорта мы используем часть человеческого тела (руки или ноги) или более мягкий инструмент (возможно, теннисную ракетку), чтобы ускорить более легкий и мягкий мяч,
который обычно наполнен воздухом или каким-то эластичным материалом. Пните футбольный мяч, и то, что произойдет,
сильно отличается от того, что происходит, когда вы бьете мяч для гольфа железной клюшкой. Мы получаем
гораздо более неупругое столкновение, когда мяч изначально деформируется
и сжимается внутрь, когда вы его пинаете или ударяете, затем пружинит, возвращаясь к своей форме
, и отталкивается от вашей ноги. В столкновениях, подобных этому, кинетическая
энергия не сохраняется: мяч и ваше тело имеют меньше энергии после столкновения,
чем ваше тело имело до него. Такие мячи, как правило, намного легче, и (к счастью) нам не нужно
бить или пинать их так сильно, чтобы разогнать их до высокой скорости.

Диаграмма: Какие спортивные мячи имеют наибольшую энергию? Мы можем вычислить кинетическую энергию мяча с помощью формулы ½mv ² . Подставляя массы и (более высокие) скорости, мы получаем такие оценки. Я бы предположил, что мячи для гольфа имеют наибольшую энергию, потому что они кажутся очень быстрыми, но они также очень легкие. Футбольные мячи, по которым сильно бьют, имеют на удивление высокую энергию, потому что они летят быстрее, чем вы думаете, и весят почти в 10 раз больше, чем мячи для гольфа. Какие мячи причиняют наибольшую боль, когда попадают в вас? Как правило, более твердые и маленькие мячи (мячи для гольфа), потому что они очень быстро рассеивают свою энергию на небольшой площади, что означает, что они оказывают большую силу и давление на ваше тело. Это также идея пуль, за исключением того, что они заточены так, чтобы двигаться быстрее и помогать проникать в ваше тело. Интересно, что если вы посмотрите на похожую диаграмму, которую я нарисовал в своей статье о пулях, вы обнаружите, что скромные пули для пистолета обладают сравнимой энергией с быстро летящими спортивными мячами (сотни джоулей).

Игровая зона и поверхность

В различные виды спорта с мячом играют на разных поверхностях — и на разных по размеру площадках — и это также
играет большую роль в том, какие мячи мы используем и как они спроектированы.
Одна из причин заключается в том, что мячи, сделанные из разных материалов, отскакивают на
разную высоту даже на одной и той же поверхности; один и тот же мяч также
отскакивает очень по-разному на разных материалах.
Вы могли заметить, что теннисисты часто специализируются на игре на
определенной поверхности, такой как глина, асфальт или трава; каждая из них
влияет на скорость и отскок мяча радикально по-разному
, причем более мягкая глина поглощает больше энергии мяча и
эффективно замедляет удары, а трава их ускоряет.

Фото: Почему настольный теннис такой быстрый и яростный? Подумайте с точки зрения науки. Ракетка, мяч и игровая поверхность — все твердое, поэтому столкновения упругие и быстрые. Мяч маленький и легкий, поэтому он быстро ускоряется. Стол очень маленький, поэтому быстро движущийся мяч очень быстро перемещается от одного конца к другому. Представьте, если бы мяч был больше и мягче, стол был бы сделан из очень мягкой резины, а ракетка больше походила бы на теннисную ракетку. Это сделало бы игру намного медленнее и гораздо менее интересной.
Фото Антона Вендлера предоставлено ВМС США и
DVIDS.

Нет причин, по которым мы не могли бы играть в гольф на столе с клюшками размером с карандаш и мячами
из хлопка, но это была бы не очень интересная или сложная
игра. Гольф — это игра, в которую люди любят играть на открытом воздухе на больших расстояниях,
и это определяет тип мяча, необходимого для игры. Мяч должен
пролететь относительно большое расстояние (по крайней мере, в начальном «драйве»),
поэтому он должен быть небольшим, чтобы уменьшить сопротивление воздуха. (Ямки на
мяче для гольфа помогают ему пролететь больше, еще больше уменьшая сопротивление.) Чтобы он не отклонялся
слишком сильно ветром, он должен быть относительно плотным и
тяжелым, а это значит, что предмет, которым вы его бьете (клюшка),
тоже должен быть плотным и тяжелым (изготовленные из дерева, металла или углеродного волокна,
клюшки для гольфа имеют тонкую ручку и тяжелый груз на конце, где они
соприкасаются с мячом).

Навыки владения мячом

Разные люди могут добиться совершенно разных результатов с помощью одной и той же биты и мяча.
Теннис — тонкая игра, в которую можно играть разными способами, но одной из ее
ключевых особенностей является подача: быстрый, мощный первый удар. Более высокие
игроки с длинными руками, естественно, имеют здесь преимущество: чем
вы выше и выше вы тянетесь, тем быстрее движется кончик вашей ракетки,
когда он ударяет по мячу (потому что скорость любой
точки на вращающемся колесе больше по мере увеличения ее расстояния от точки вращения)
и (теоретически) тем быстрее полетит мяч, когда он полетит к
вашему противнику.

Фото: Когда вы играете в боулинг, ваш мозг мгновенно выясняет, как управлять мышцами, чтобы бросить мяч и достичь точного положения в пространстве. На бумаге это простая физика, но удивительно, что наш мозг и тело могут делать такие вещи инстинктивно, без всяких вычислений. Фото Джона Дасбаха предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Что общего у футболистов мирового класса, игроков в крикет и теннис, чемпионов по бейсболу и даже игроков в бильярд ? Инстинктивная способность направлять мяч
именно туда, куда они хотят, и часто туда, куда их противник
меньше всего этого ожидает. Это означает не только возможность ударить или пнуть
мяч как можно дальше, но и использование таких вещей, как вращение, чтобы заставить его искривиться
в одну сторону. Вращающиеся мячи изгибаются из-за науки — обычно
из-за так называемого эффекта Магнуса: когда мяч вращается, он
изменяет способ движения воздуха вокруг себя, ускоряя его с одной стороны и
останавливая с другой, создавая силу, которая толкает мяч
в неожиданном направлении. Мячи со швами и крикетные мячи, отполированные
с одной стороны, искривляются во время полета, потому что они делают
воздух более турбулентным с одной стороны, чем с другой.

Гораздо проще увидеть эти вещи, продемонстрированные в видео и анимации, чем читать о них.
Дерек Мюллер из Veritasium и австралийский профессор физики и эксперт по спортивной физике Род Кросс
сняли два замечательных видеоролика на YouTube, показывающих, как
возникают эти эффекты: первый — простая демонстрация того, как эффект Магнуса
заставляет мяч искривляться; второй объясняет физику мячей со швами.

Можно и прыгать: легкая атлетика

Легкая атлетика — это состязания, в которых каждый спортсмен противопоставляет свое тело
телам других людей; попытка бежать быстрее, прыгать выше или бросать дальше — вот
название игры. Хотя большая часть легкой атлетики заключается в использовании
биологии тела —
например, силы отдельных групп мышц — существует много науки, которая происходит
и за пределами тела. Кто бы мог подумать, что прыгун в длину или прыгун с шестом
тайно использует силу физики?

Длинный прыжок

Вы можете подумать, что прыжок в длину — это просто быстрый бег, подбрасывание себя
в воздух и надежда на лучшее. Нет, если вы хотите выиграть золотую
медаль! Как прыгун, вы хотите достичь того, чтобы приземлить ноги как
можно дальше вперед (впереди тела), но вы не сможете
оттолкнуться с ними в таком положении: они должны толкаться
назад (позади тела), чтобы подбросить вас в воздух. Поэтому вам
нужно радикально изменить положение ног, пока вы находитесь
в воздухе. Теперь, когда вы в воздухе, если вы отведете руки или
ноги от туловища, ваше тело будет вращаться вокруг вашего центра тяжести
(точки на вашем теле, где, по-видимому, сосредоточена вся ваша масса).
Перемещение рук или ног ближе или дальше от вашего тела
изменит ваш момент инерции (распределение вашей массы
относительно вашего центра тяжести). Это базовый закон физики, что ваш
угловой момент (импульс, который ваше тело имеет из-за вращения)
не может увеличиваться или уменьшаться (угловой момент «сохраняется», как говорят физики). Если вы хотите
выбросить ноги вперед и наружу, то это можно сделать, выкинув
руки вверх, а затем быстро опустив их вниз. Затем, когда ваши руки отбрасываются
назад, ваши ноги выбрасываются вперед, чтобы компенсировать это. Это немного похоже на то, когда
вы плывете и хотите встать: если вы
быстро опускаете руки перед собой, ваши ноги опускаются под вами, чтобы обеспечить
сохранение углового момента. Почти то же самое движение
происходит в воздухе при прыжке в длину.

Фото: Прыжок в длину — это сохранение энергии и импульса. Когда вы в воздухе, нет способа получить больше энергии, поэтому разбег имеет решающее значение: чем больше кинетической энергии вы даете своему телу, тем дальше вы полетите. В воздухе вы можете переместить ноги дальше вперед, сводя руки вокруг и назад, как этот прыгун собирается сделать.
В «Анатомии спортсмена» (The Sydney Morning Herald, 2016) есть замечательная фотография последовательности движений, которые выполняет прыгун в длину.
Фото Мэтью А. Эбарба предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Прыжок с шестом

Прыжки с шестом — еще один пример спорта, где физика может протянуть вам скрытую руку. Прыжки с шестом немного
похожи на сверхвысокий прыжок в высоту, где вы используете длинный, гибкий шест из углеродного волокна, чтобы
перебросить себя через планку. Как и прыжки в длину, они выглядят проще и
менее научными, чем есть на самом деле. И так же, как прыжки в длину основаны на
сохранении углового момента, прыжки с шестом основаны на
сохранении энергии.

Подумайте, что происходит во время
прыжка с шестом: вы начинаете бежать к планке с шестом в
руках. После того, как вы набрали скорость, у вас есть изрядное количество кинетической
энергии (энергии движения, потому что у вас есть и масса, и скорость).
Чтобы поднять свое тело на определенное расстояние в воздухе, вам нужно придать ему
определенное количество потенциальной энергии.
Шест помогает вам преобразовывать горизонтальное движение в вертикальное, и
он делает это, преобразуя вашу кинетическую энергию в потенциальную энергию.
После того, как вы достигли конца разбега, вы
втыкаете шест в землю. Теперь ваш импульс и энергия
передаются шесту, который изгибается в кривую и преобразует
вашу кинетическую энергию в упругую потенциальную энергию, замедляя вас
в этом процессе. Будучи упругим, шест быстро возвращается к своей первоначальной форме, выпрямляясь и поднимая вас
вверх, и преобразуя свою упругую потенциальную энергию в кинетическую энергию и гравитационную потенциальную энергию (энергию, которой обладает ваше тело, когда оно находится в воздухе). В идеале вся кинетическая энергия,
имеющаяся у вас в разбеге, преобразуется в потенциальную энергию, когда ваше
тело достигает своей наивысшей точки и прекращает подъем. Это объясняет, почему
разбег так важен для прыгуна с шестом: если вы не бежите на максимальной
скорости и не ставите шест правильно или не держите его крепко, ваша кинетическая
энергия не будет полностью преобразована в потенциальную энергию, и вы
не наберете столько высоты.

ллюстрация: Прыжок с шестом — хороший пример сохранения энергии. 1) Во время разбега ваше тело пытается получить как можно больше кинетической энергии. Это жизненно важно, потому что, как только вы оказываетесь в воздухе, нет возможности получить дополнительную энергию. 2) Когда вы втыкаете шест в землю, он сгибается и преобразует вашу кинетическую энергию в упругую потенциальную энергию. 3) Когда шест выпрямляется, он возвращает кинетическую энергию вашему телу. Задача шеста — помочь вам преобразовать кинетическую энергию (энергию вашего бега) в потенциальную энергию (энергию, которая у вас есть, когда вы поднимаетесь в воздух), а горизонтальное движение — в вертикальное. 4) Когда вы отпускаете шест, вы поднимаетесь вверх, работая против силы тяжести. Кинетическая энергия вашего тела постепенно преобразуется в потенциальную энергию по мере подъема, поэтому вы начинаете замедляться. 5) В самой высокой точке, когда вы пересекаете планку, ваше тело имеет максимальную потенциальную энергию. Вся энергия, которая у вас есть в этот момент, исходит из кинетической энергии вашего первоначального разбега.

Фото: Вот фактическая последовательность движений в прыжке с шестом. Это фотографии Кейла Симмонса, соревнующегося в финале мужских прыжков с шестом на отборочных соревнованиях олимпийской сборной США по легкой атлетике в 2016 году.
Фотографии Тома «Драка» Уильямса предоставлены ВВС США и
DVIDS.

Спринт

Физика работает даже в самом простом виде спорта — беге — и она может помочь нам понять, почему
такая суперзвезда, как Усэйн Болт, может бежать намного быстрее всех
нас. Согласно второму закону движения Ньютона,
вы можете заставить массу ускориться (набрать скорость), приложив к ней силу.
Мы можем описать тот же закон немного по-другому: вы можете придать чему-то больший импульс,
приложив к нему силу в течение определенного времени (с помощью того, что
называется импульсом). Если вы спринтер мирового класса, то, что
заставляет вас бежать быстрее, — это ваша способность передавать импульсы ногами
, которые ускоряют вас быстрее. Но чем вы массивнее, тем
больше силы вам нужно для ускорения. Если у вас огромные мускулистые ноги,
вам понадобится больше силы, чтобы поднять их и опустить и заставить
свое тело двигаться быстро. В случае Усэйна Болта, очень
большого и высокого человека, его способность генерировать мощные импульсы ногами
(для ускорения) перевешивает его значительную массу (которой требуется
больше силы для ускорения). Вот почему он такой быстрый.

Подпитывайте свою скорость: виды спорта, которые опережают время

Велоспорт, плавание, лыжи и бобслей — все это ради победы над временем, но они также ради
победы над другим типом науки, называемым гидродинамикой, которая
является физикой того, как жидкости и газы (жидкости) движутся вокруг объектов
(или как движущиеся объекты рассекают жидкости, что в точности одно и
то же). Вы замечали, как олимпийские пловцы носят эти
суперобтекаемые костюмы, а велосипедисты надевают
шлемы, которые стыдятся слез, и приседают над своими велосипедами? Причина в обоих
случаях одна и та же: пловцы пытаются минимизировать сопротивление, которое их тело
оказывает относительно плотной жидкой воде, в то время как велосипедисты (которые движутся
намного быстрее) пытаются уменьшить сопротивление воздуха
(лобовое сопротивление), делая свои тела более аэродинамичными. Большинство из нас не замечают
сопротивления воздуха, потому что мы никогда не едем достаточно быстро; когда
вы идете, гравитация — это сила, которая доставляет вам наибольшее беспокойство.
Вы, конечно, замечаете силу сопротивления воздуха на велосипеде, и это очень очевидно, если вы
едете на машине с опущенными окнами или крышей.

Фото: Аэродинамика так же важна для велосипедистов, как и для конструкторов гоночных автомобилей и реактивных самолетов, поэтому они носят обтягивающую одежду и наклоняются вперед вот так. Хотя на этой фотографии этого не видно, гонщики на велосипедах также используют специальные рули, которые располагают их локти гораздо ближе к туловищу, что значительно снижает сопротивление.

Сопротивление является еще большей проблемой для пловцов, потому что вода намного плотнее воздуха. Гораздо
легче плыть (горизонтально) в воде, чем ходить по ней (вертикально),
потому что ваше тело принимает трубчатую форму, которая может двигаться вперед, отталкивая
меньше воды с пути (у него то, что мы называем меньшим
сопротивлением формы, потому что оно представляет меньшее препятствие для воды, пытающейся
пройти мимо него). Эти обтекаемые костюмы, которые вы видите на пловцах, работают
двумя очень интересными научными способами — один связан с биологией, другой — с физикой.
Биологический эффект достигается за счет плотной строчки по всему костюму, которая сжимает мышцы пловца, чтобы они работали более эффективно, вызывая меньшую усталость. Физический эффект возникает из-за текстуры костюма.
На поверхности есть крошечные V-образные гребни, выполненные как дермальные зубчики (плакоидные чешуйки) на коже акулы. Они помогают
уменьшить сопротивление трения (сопротивление между вашим телом и слоями воды, скользящими мимо него) путем создания крошечных вихрей, уменьшая тенденцию воды становиться турбулентной, когда она течет мимо вашей кожи. Если вы занимаетесь скоростным видом спорта, понимание того, как минимизировать сопротивление формы и трения, — это способ
плыть быстрее, но это также способ плыть дальше. Толкание против воздуха или воды тратит энергию, а ее
доступно только определенное количество вашему телу. Чем эффективнее вы используете свой ограниченный запас энергии (чем дальше вы плывете с каждым гребком или толчком рук или ног), тем дольше вы можете плыть, не уставая.

Научитесь сохранять равновесие: виды спорта, бросающие вызов гравитации

Если вы играете в теннис или гольф, ваш мозг интуитивно понимает баллистику: вы
точно знаете, куда полетит мяч, когда вы его ударите. Если вы велосипедист или
пловец, вы очень быстро узнаете о динамике жидкости. На беговой дорожке
или поле вы быстро овладеваете силой, энергией и ускорением, даже если
на самом деле не думаете о них с научной точки зрения. А как насчет таких видов спорта, как скейтбординг и BMX? Какую
науку они включают?

Навыки катания на коньках

Катание на коньках — это высшая демонстрация физики. Даже самое простое движение из всех — удар ногой о бордюр, чтобы заставить
себя двигаться в первую очередь — является примером третьего закона движения Ньютона: вы ударяете ногой о бордюр, чтобы заставить свое тело и доску двигаться вперед. Выполните крутой трюк в воздухе, и вы не что
иное, как маленький Альберт Эйнштейн: вы инстинктивно используете силу физики, чтобы сохранить равновесие, которое мы можем определить как способ, которым ваше тело удерживается в вертикальном положении, несмотря на надоедливую решимость гравитации тянуть его к земле.
Общий подход к катанию на коньках — согнуть колени и встать в своего рода согнутое положение.
Почему? Чем ниже вы стоите, тем ниже ваш центр тяжести и тем легче сохранять равновесие (сгибание коленей также помогает поглощать удары при приземлении и уменьшает удары по вашим ногам и позвоночнику).

Фото: Скейтбордисты инстинктивно осваивают физику: катание на коньках — это центр тяжести, законы Ньютона, сохранение энергии и сохранение углового момента. В этом трюке широко расставленные руки обеспечивают лучшее равновесие, увеличивая момент инерции скейтбордиста. Фото Наташи Стэннард предоставлено ВВС США и DVIDS.

Если вы проделываете трюк, в котором вы отрываетесь от рампы и отрываете ноги от доски,
так что ваше тело и доска ненадолго разделяются, некоторое время движутся независимо, а затем
снова сходятся, когда вы опускаете ноги, вы используете
инерцию: как гласит первый закон движения Ньютона,
объекты либо остаются
неподвижными, либо продолжают двигаться с постоянной скоростью, если на них не действует сила.
Даже если ваше тело и ваша доска расстаются на несколько секунд,
они оба продолжают двигаться предсказуемым образом из-за своей инерции, и
это позволяет вам снова соединиться с вашей доской в ​​дальнейшем
.

Фигуристы вытягивают руки, чтобы сбалансировать свое тело.
Почему? По той же причине, по которой канатоходец часто держит длинный,
тяжелый шест. Если вы пытаетесь сохранить равновесие на скейтборде,
вы пытаетесь остановить вращение своего тела. Если вы находитесь на земле,
и ваш центр тяжести находится слишком далеко в одну сторону (не прямо над доской),
верхняя часть вашего тела будет иметь тенденцию вращаться вокруг ваших ног: с точки зрения физики,
ваше тело испытает момент, который заставит его повернуть —
другими словами, вы упадете! Более низкий центр тяжести — это один из способов облегчить балансировку;
более высокий момент инерции — другой способ. Это означает, что вы размещаете
свое тело так, чтобы часть его массы находилась дальше от точки вращения
(другими словами, вы вытягиваете руки). Вы заметили,
как фигуристы могут замедлять свои вращательные движения, вытягивая
руки, и ускоряться, сводя руки; поскольку
их угловой момент должен оставаться постоянным, приведение их рук
(уменьшая их момент инерции) означает, что их угловая скорость должна
увеличиться, поэтому они вращаются быстрее. Когда вы катаетесь на скейтборде, если ваши руки вытянуты
и вы начинаете терять равновесие, ваше тело будет вращаться медленнее, поэтому у вас будет больше
времени для компенсации. Инстинктивно вы измените положение рук, чтобы отменить
вращение вашего тела, снова балансируя. У
топового скейтбордиста есть инстинктивная способность контролировать свой угловой
момент — как своего рода человеческий гироскоп!

Ныряние за золотом

Фото: Дайвинг — это, прежде всего, управление импульсом: преобразование линейного импульса в угловой импульс
и сохранение углового импульса при вращении. Фото Р. Джейсона Брансона
предоставлено ВМС США.

Виды спорта, в которых задействованы точные вращения тела, например, дайвинг, полностью посвящены
сохранению углового момента. Вы наверняка замечали, как дайверы поджимают
руки и ноги после прыжка с доски, делают пару
оборотов в сальто, а затем вытягивают конечности, чтобы
чисто и безопасно войти в воду. Зачем подпрыгивать с доски? Это почти то
же самое, что и прыжок с шестом: энергия, которую вы вкладываете в доску, прыгая
на нее, временно сохраняется внутри изогнутой древесины в виде упругой потенциальной
энергии. Упругость доски заставляет ее подпрыгивать вверх и дает
вашему телу сначала кинетическую энергию, а затем потенциальную энергию. Когда вы поджимаете
конечности и начинаете нырять, ваше тело начинает вращаться, так что ваш
линейный импульс (ваше движение прямо вверх) преобразуется в
угловой момент (вращательное движение). Когда вы ныряете,
вступает в игру сохранение углового момента. Когда ваши руки и
ноги плотно прижаты к телу, ваш момент инерции настолько мал, насколько
это возможно, поэтому вы вращаетесь с максимальной скоростью. Вытягивая
руки и ноги, вы увеличиваете свой момент инерции, замедляя,
а затем прекращая вращение, так что ваше тело входит в воду
вертикально, в идеале без вращения.

Спорт + наука = победа

Некоторые люди рождаются спортсменами, а некоторые нет, и никакая наука не превратит
неуклюжего человека вроде меня в спортсмена мирового класса. Многие звезды спорта
инстинктивно понимают, как стать лучшим в своей
области, и это встроенное понимание, приобретенное за годы
практики методом проб и ошибок, может достичь тех же или лучших результатов, что и
теоретический, научный подход, но совершенно другими способами. Когда Усэйн
Болт бежит к финишной черте, последнее, что он делает, это вычисляет,
какую силу его ноги могут превратить в ускорение с помощью законов движения Ньютона
. Но понимание немногой части науки, лежащей в основе
вашего любимого вида спорта, может помочь вам использовать свои природные
способности и достичь большего; это может помочь вам бегать быстрее,
плыть дальше или выполнять более изящные трюки на коньках.
Я ни на секунду не утверждаю, что успех в спорте зависит исключительно от науки:
многие другие факторы, включая физические способности, природный талант, выносливость, смелость и
решимость, по крайней мере, так же важны (а иногда и гораздо важнее). Убивает ли наука
удовольствие от спорта? Ничего подобного: это выводит наше
понимание на новый уровень и помогает нам еще больше ценить наших замечательных звезд спорта
!

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Аэродинамика
• Пули (Введение в баллистику и траектории)
• Законы движения
• Наука плавания
• Наука серфинга

Другие сайты

• NSF: Наука зимних Олимпийских игр: Некоторые простые научные объяснения зимних видов спорта от Национального научного фонда. Включает видео, текстовые статьи и планы уроков для учителей.
• Род Кросс: Физика спорта с мячом: на домашней странице Рода в Сиднейском университете есть несколько замечательных статей о баллистике спорта с мячом.

Книги

Общий

• Sports Science: A Complete Introduction by Simon Rea. Teach Yourself, 2015. Хорошая отправная точка для студентов и взрослых, которые хотят более глубокого, технического введения, чем я дал. Эта книга уделяет больше внимания биологии, чем моя статья (например, освещая, как работают опорно-двигательная и кардиореспираторная системы, а также важность питания).
• Физика спорта, Анджело Арменти (редактор). Springer, 1992.

Конкретные виды спорта

• Наука Тур де Франс: секреты тренировок лучших велосипедистов мира, Джеймс Уиттс. Bloomsbury, 2016.
• Физика бейсбола и софтбола Рода Кросса. Springer, 2011.
• Физика крикета Марка Киджера. Nottingham University Press, 2011.
• Почему криволинейный мяч криволинейный: невероятная наука спорта Фрэнка Визарда (ред.). Херст, 2008.
• «Физика футбола» Тимоти Гэя. HarperCollins, 2005. (Обратите внимание, что эта книга об американском футболе, а не о соккере.)

Для юных читателей

• «Книга о дико захватывающей спортивной науке» Шона Коннолли. Workman, 2017. Книга, основанная на вопросах, в которую детям легко погрузиться и которую легко закончить, наполненная заданиями. 288 страниц для
  детей 9–12 лет.
• Swimming Science (Наука плавания) Элен Будро.
  Crabtree, 2009. Обзор на 32 страницах, описанный как «возраст 8–11 лет», но может быть слишком простым для более старшего возраста.
• Спортивная наука: 40 головокружительных, захватывающих, завоевательных экспериментов для детей! Джима Визе. Wiley 2012. Возраст 8–12 лет, 130 страниц. Визуально немного сухо и скучно, но наука выглядит основательно, и есть много хорошо описанных занятий, которые можно адаптировать для проектов научной выставки.

Статьи

• Инженер бейсбола: Бен Хансен утверждает, что биометрия может спасти локти питчеров Элизы Стрикленд. IEEE Spectrum, 27 сентября 2019 г. Систематический сбор данных может стать ключом к предотвращению спортивных травм.
• Есть ли у левшей преимущество в спорте? Это зависит от Стеф Ин. The New York Times, 21 ноября 2017 г. Левши, по-видимому, имеют преимущество в видах спорта с мячом, но может ли наука объяснить, почему?
• Роботы-гребцы проверяют, делают ли люди-гребцы это неправильно, Эван Акерман. IEEE Spectrum, 12 июня 2017 г. Как роботы-гребцы помогли доказать, что люди по-прежнему делают это лучше всех.
• Олимпийские спортсмены электризуют свои мозги, и вы тоже можете это сделать Элиза Стрикленд. IEEE Spectrum, 23 августа 2016 г. Поддерживает ли наука идею использования транскраниальной стимуляции постоянным током (tDCS) для помощи спортсменам в тренировках?
• Анатомия спортсмена: The Sydney Morning Herald, 2016. Здесь есть несколько замечательных фотографий с многократной экспозицией, демонстрирующих сложные движения, которые совершают тела спортсменов.
• Талант находится внутри. Но где? «Спортивный ген» рассматривает корень спортивного успеха Кристины Ашванден. The New York Times, 12 августа 2013 г. Великими спортсменами рождаются или воспитываются? Неудивительно, что и то, и другое.
• Усэйн Болт: пример из области науки спринта Джея Холта. ThePostGame, 26 июля 2011 г. Отличная статья, объясняющая, почему рост и сила Болта приводят к более быстрому ускорению и скорости.
• Как это работает: прыжок с шестом Кори Биннса. Popular Science, 25 июля 2008 г. Кори объясняет, как сохранение энергии позволяет прыгуну с шестом на большой скорости перепрыгнуть планку.

видео

• Наука НФЛ: десять великолепных коротких видеороликов, объясняющих науку футбола, разработанных NBC Learn и NBC Sports совместно с Национальным научным фондом и Национальной футбольной лигой.
• Наука и техника на зимних Олимпийских играх 2014 года: больше видеороликов о спортивной науке от NBC и Национального научного фонда.
• Наука действия доктора Скейтборда: Силы: краткое введение в то, почему центр тяжести играет важную роль в трюках на BMX и скейтборде.
• Спортивная наука: Джавейл Макги: Как огромный «размах крыльев» одного из лучших баскетболистов играет решающую роль в его потрясающих трюках на площадке.
• Veritasium: Почему мяч изгибается: Род Кросс дает нам простую демонстрацию эффекта Магнуса.
• Veritasium: Физика мячей со швами: Род Кросс объясняет, какое влияние шов оказывает на полет мяча.