Олимпийская наука: физика и физиология в мире спорта

Олимпийская наука: физика и физиология в мире спорта

Почему пловец Майкл Фелпс (Michael Phelps) считается идеальным спортсменом? Как гимнастка Настя Люкина делает свои невероятные соскоки с брусьев? Давайте разберемся с физикой и физиологией в мире спорта.

Идеальный спортсмен

Много написано о сверхчеловеческих спортивных способностях пловца Майкла Фелпса, который завоевал шесть золотых медалей на Олимпиаде в Афинах в 2004 году. Это генетический феномен: он сложен как рыба и руки-ноги у него — как весла. Действительно, Олимпийские игры нельзя выиграть без генетической предрасположенности к конкретному спорту. Но если бы Фелпс побил рекорд Марка Спица (семь золотых олимпийских медалей на играх 1972 года), то это было бы идеальное сочетание природных способностей, упорных тренировок и грамотной техники.

1. Тело. Тело Фелпса — это специальная машина для плавания. Размах его рук — 201 см, что на 8 см больше, чем его рост. У него длинное тело и относительно короткие ноги — длина джинсов — 32 дюйма (81 см). Все это позволяет Фелпсу держать тело достаточно высоко в воде.

2. Биохимия. При мощных гребках руками, которые характерны для стиля баттерфляй, в мышцах образуется молочная кислота, снижающая их работоспособность. Точные данные Фелпса засекречены, но известно, что в его организме молочная кислота образуется в гораздо меньшем количестве, чем у других спортсменов.

3. Гибкость. Одни виды спорта требуют от спортсмена быть особенно сильным (метание ядра), другие — гибким (гимнастика). Для пловца необходимо и то, и другое. Необычная гибкость рук и ног Майкла Фелпса позволяет ему двигаться в воде с меньшим сопротивлением.

4. Гидродинамика. В заплыве на 200 м вольным стилем пловец двигается со скоростью 6,1 км/ч, при этом он тратит 290 кДж только для преодоления лобового сопротивления. Для решения этой проблемы Фелпсу приходится занимать особую гидродинамическую позу — голова опускается вниз, бедра поднимаются вверх.

5. Техника. Майкл Фелпс — известный мастер баттерфляя. Отталкиваясь от стенки и делая хлесткий удар ногами, он может плыть даже быстрее, чем при традиционной технике работы ногами. Это позволяет ему легко выигрывать у соперников до половины корпуса.

6. Тренировки. Фелпс тренируется ежедневно круглый год — четыре часа в бассейне и один час в зале. Поскольку пловцы могут сжигать до 1000 килокалорий в час, диета Фелпса содержит большое количество углеводов, для того чтобы избежать истощения запасов гликогена в организме.

Марафонцы и спринтеры

Выносливость. Бег на длинные дистанции определяется аэробными способностями. Максимальный коэффициент потребления кислорода у Райана Холла (VO2 max) составляет 84,7 мл/мин/кг, что почти в два раза превышает уровень обычного человека. Мышцы лучших марафонцев планеты в основном состоят из медленных волокон, что позволяет максимально использовать поглощаемый кислород для производительности мышц.

Взрывная скорость. 100 метровый забег заканчивается раньше, чем начинает работать фактор аэробной эффективности, поэтому для Тайсона Гэя работа быстрых мышц важнее, чем параметр VO2 max. У спринтеров до 80% мышц составляют быстрые волокна, а они сокращаются в 10 раз быстрее, чем медленные волокна.

Гимнастка передает часть своей энергии гибкой стеклопластиковой жерди брусьев во время маха вниз, эту энергию гимнастка получает назад в фазе подъема при вращении.

Большие обороты

Когда член сборной США по гимнастике Настя Люкина делает большие, очень энергичные, обороты на брусьях, то они могут показаться серией обычных кругов. Но на самом деле во время этого упражнения происходит довольно сложный обмен энергией между гимнасткой и гибкой верхней жердью брусьев, за которую она держится. Обороты должны быть и красивыми и функциональными — у гимнастки должны быть прямые руки и вытянутые носки, но при этом она обязана набрать достаточный момент инерции, чтобы суметь выполнить соскок с двойным сальто. С невероятной силой и скоростью Настя элегантно преодолевает гравитацию.

1. Гимнастка начинает движение со стойки на руках в верхней точке над жердью. Ноги выпрямлены, носки по струнке вытянуты вверх.

2. Когда она начинает движение вниз из стойки трение рук о жердь слегка уменьшает скорость вращения, которая достигает в первой фазе упражнения 275 град/сек. Для компенсации этих потерь гимнастка делает хлестообразное движение, опуская ноги и слегка сгибаясь в поясе для того, чтобы не задеть нижнюю жердь.

Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.

3. При приближении к вертикальному положению в нижней точке гимнастка прогибает спину для увеличения энергии вращения. Перегрузки в нижней точке могут достигать от 4 до 7 g, что приводит к тому, что жердь изгибается вниз до 12 см.

4. Она завершает это хлесткое движение (мах) на фазе движения вверх за счет сгибания в поясе и подачи ног вперед. В результате центр тяжести тела приближается к центру вращения тела, при этом момент инерции используется для увеличения угловой скорости, которая возрастает до 304 град/сек.

5. Временное окно для выполнения соскока составляет всего 67 миллисекунд, когда тело гимнастки занимает положение от -10 до +20 град относительно горизонтали. Время полета составляет меньше 1,5 сек.

Считается, что прототипом этой легкоатлетической дисциплины стало преодоление болот при помощи длинного шеста, который помогал путнику перепрыгивать с кочки на кочку. Поэтому в изначальной форме показателем спортивных достижений в этом виде служила не высота, а максимальная длина прыжков. Однако к моменту включения в олимпийскую программу этот вид спорта превратился в соревнование на высоту прыжка.

Подъем планки

Мировой рекорд по прыжкам с шестом — 614 см, установленный украинцем Сергеем Бубкой, держится уже 14 лет. Брэд Уокер (Brad Walker), которому принадлежит рекорд США — 604 см — новая олимпийская надежда Америки. Что нужно сделать для того, чтобы преодолеть эти дополнительные 10 см? Секрет прыжка с шестом заключается в том, что результат на 85% зависит от физики и 15% от акробатики. Для того, чтобы подняться на эту огромные высоту Уолкер, ростом 188 см, должен иметь достаточное количество кинетической энергии, и поэтому обязан разогнаться до скорости 10 м/с. При постановке шеста в упор, шест начинает работать как пружина, переводя энергию Уокера (4195 дж) из горизонтальной плоскости в вертикальную, в результате поднимая его на высоту 5 м. А дополнительный 1 м можно получить за счет изгиба тела и последующего отталкивания от шеста с движением вверх и через планку.

1. Разбег. Чем быстрее разбег прыгуна, тем больше энергии он сможет передать шесту, когда он ставит его в упор. В идеале спортсмен достигает максимальную скорость за 10−12? (элита делает 18−22 шага, а начинающие 10−12 — комментарий переводчика) беговых шагов.

2. Постановка шеста. При постановке шеста в ящик упора под углом 18 град шест должен согнуться так, чтобы его длина составила 70% от первоначальной, при этом угол изгиба шеста (между касательными на концах шеста? — комментарий переводчика) составит 120−160 град, в зависимости от роста спортсмена и его момента инерции.

Современные шесты делают в зависимости от роста и веса спортсмена из трех слоев стеклоткани и/или углеволокна, склеенных вместе эпоксидным клеем. При нагреве вся эта конструкция превращается в легкий композиционный материал. Внешний слой определяет общую жесткость шеста, а два внутренних слоя отвечают за прочность и характеристики изгиба шеста по длине.

3. Отталкивание. Потенциальная энергия согнутого шеста передается спортсмену в виде кинетической энергии. Прыгун отталкивается от беговой дорожки и двигается вверх, и по мере того, как шест выпрямляется, тело переходит в вертикальное положение.

4. Преодоление планки. В полете прыгун изгибает свое тело так, чтобы все время находиться лицом к планке. Прыгунам для выполнения этого маневра необходима гимнастическая подготовка, поэтому они отрабатывают кувырки и стойку на руках.

После соревнований спортсмены выпивают на 25−50% больше, чем они потеряли жидкости

Кто больше выпьет

Во время соревнований спортсмены-олимпийцы могут выпить до 11 л воды в сутки (что в 5,5 раз больше среднего уровня потребления). В Пекине спортсменам придется пить еще больше, потому что температура воздуха в Пекине в августе превышает +30 С, а влажность составляет 90%. Потеря всего 2% от массы тела (а это 1,6 кг или 1,6 л воды для 80 кг спортсмена) достаточно для того, чтобы вызвать провал по результатам. «Когда тело теряет жидкость, кровь становится более густой, и сердце должно интенсивнее работать чтобы перекачивать кровь," - объясняет Нэнси Кларк (Nancy Clark), специалист по спортивному питанию. Зная интенсивность потоотделения можно определить, сколько жидкости должен получать спортсмен для подготовки к соревнованию.

Прыгун в воду Трой Дюмэ (Troy Dumais) должен сначала подпрыгнуть на высоту 40 см для того, чтобы загрузить энергией подкидную доску, которая потом выстрелит его в воздух, чтобы он смог выполнить прыжок в три с половиной оборота.

Полет в воду

Прыгуны-олимпийцы поражают нас акробатическими упражнениями в воздухе, но именно то, как трамплин подбросил спортсмена, определяет, будет ли это чемпионский прыжок или полный провал с морем брызг.

1. Разбег. Прыгун делает несколько маленьких шагов, чтобы набрать момент инерции.

2. Трамплин. Он отталкивается от подкидной доски на расстоянии 30 см от ее кромки. Высокий вылет получается благодаря тому, что доска после изгиба вниз возвращается вверх.

3. Отталкивание. При движении вверх подкидная доска разгоняет спортсмена до скорости 20 км/ч, и он подлетает до высоты 5.5 м над поверхностью воды. Время полеты прыгуна составляет 1.5 с. При этом он еще получает момент инерции для выполнения вращений в полете.

Хитрости прохождения обратных ворот (вверх по течению) Хитрости прохождения обратных ворот (вверх по течению)
Скалы, уступы и камни меняют течение реки, образуя суводи, — зоны относительно спокойной воды, находящиеся в тени этих объектов. В суводи поток меняет направление движения и даже загибается против течения.

Гребной слалом (каякинг)

Прохождение слаломной трассы на байдарке в олимпийском водном комплексе Шунь И в Пекине потребует «силы, равновесия и концентрации» — утверждает трехкратный олимпийский чемпион Скот Шиплей (Scott Shipley). Спортсменам придется проходить трассу из 18−25 ворот при скорости течения до 4,5 м/с. Самый сложный участок трассы — прохождение ворот против течения (обратные ворота), когда из-за встречного потока даже небольшая ошибка в технике может привести к опрокидыванию лодки и вылету с трассы.

1. Байдарка соскальзывает боком к воротам. Когда байдарка проходит под вешкой и дальше в суводь, спортсмен делает гребок и разворачивает корму по течению.

Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.

2. Поскольку по правилам через ворота должна пройти только голова, многие спортсмены проскальзывают дальше, в потом хитрят, проводя лодку под нижней вешкой, а свое тело вокруг вешки. Если угол тела байдарочника при повороте изменится на долю градуса, то поток перевернет лодку. При грамотном прохождении ворот спортсмен испытывает перегрузки в 1,5 g.

3. Байдарочник должен двигаться против течения, которое на трассе в Пекине будет 2,7 м/с. Как только спортсмен проходит ворота, он отклоняется назад, утапливая корму и поднимая нос лодки, в результате радиус поворота лодки уменьшается с 3,5 м до 1,5 м.

4. Для того, чтобы развернуться по течению спортсмен делает мощный гребок (крутящий момент 100 кг/м) и направляется к следующим воротам. Весь маневр происходит всего за 3,5 сек.

Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№9, Сентябрь 2008).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.