Влияние вращения снаряда и сопротивления воздуха на траекторию его полета

Аннотация Фещенко М.В

Лекция2

Виды перемещающих движений и требования к ним

Перемещающими в биомеханике называют движения, задача которых – перемещение какого-либо тела (снаряда, мяча, соперника, партнера). Перемещающие движения разнообразны. Примерами в спорте могут быть метания, удары по мячу, броски партнера в акробатике и т. п.

К перемещающим движениям в спорте обычно предъявляются требования достичь максимальных величин:

а) силы действия (при подъеме штанги),

б) скорости перемещаемого тела, (в метаниях),

в) точности (штрафные броски в баскетболе).

Нередки и случаи, когда эти требования (например, скорости и точности) предъявляются совместно.

Среди перемещающих различают движения:

а) с разгоном перемещаемых тел (например, метание копья),

б) с ударным взаимодействием (например, удары в теннисе или футболе).

 

Основы механики полета снарядов

Поскольку большинство спортивных перемещающих движений связано с сообщением скорости вылета какому-нибудь снаряду (мячу, снаряду для метания), рассмотрим прежде всего механические основы полета спортивных снарядов.

Траектория (в частности, дальность) полета снаряда определяется:

а) начальной скоростью вылета,

б) углом вылета,

в) местом (высотой) выпуска снаряда,

г) вращением снаряда и

д) сопротивлением воздуха, которое, в свою очередь, зависит от аэродинамических свойств снаряда, силы и направления ветра, плотности воздуха (в горах, где атмосферное давление ниже, плотность воздуха меньше и спортивный снаряд при тех же начальных условиях вылета может пролететь большее расстояние).

3. Скорость, высота и углы вылета снаряда

Дальность полета снаряда зависит от следующих факторов:

1. Начальная скорость вылета. В отсутствии сопротивления воздуха дальность полета снаряда пропорциональна квадрату скорости вылета. Накопление количества движения телом спортсмена и ускоряемым объектом происходит поэтапно:

1) предварительный разгон системы «спортсмен-снаряд» выполняется по прямолинейной (разбег, скачек) и криволинейной (вращения) траектории. Во всех видах разгона происходит обгон снаряда (отведение назад копья, скручивание туловища в метании диска);

2) сообщение скорости системе «рабочее звено-снаряд»: в метании копья – скрестный шаг и поворот таза, в толкании ядра выведение таза влево со скручиванием туловища, обгоняя плечи. В этой фазе мышцы максимально растянуты;

3) сообщение скорости снаряду. Мышцы выполняют в этом случае баллистическую работу.

В некоторых движениях передачу скорости снаряду производят кратковременным взаимодействием (ударом) или переводом тела в заданное положение без полета (штанга, борьба).

Критерием рациональной техники служит вектор скорости снаряда в фазе финального усилия, когда снаряд отделяется от руки. Вектор скорости характеризуется величиной и направлением. Величина скорости должна быть как можно больше, а угол вылета - оптимальным.

Влияние вращения снаряда и сопротивления воздуха на траекторию его полета

Начальная скорость вылета является той основной характеристикой, которая закономерно изменяется с ростом спортивного мастерства. В отсутствие сопротивления воздуха дальность полета снаряда пропорциональна квадрату скорости вылета. Увеличение скорости вылета, скажем, в 1,5 раза должно увеличить дальность полета снаряда в 1,5², т.е. в 2,25 раза. Например, скорость вылета ядра 10 м/с соответствует результату в толкании ядра в среднем 12 м, а скорость 15 м/с - результату около 25 м. У спортсменов международного класса максимальные скорости вылета снарядов равны: при ударе ракеткой (подача в теннисе) и клюшкой (хоккей) — свыше 50 м/с, при ударе рукой (нападающий удар в волейболе) и ногой (футбол), метании копья — около 35 м/с. Из-за сопротивления воздуха скорость в конце полета снаряда меньше начальной скорости вылета.

Угол вылета, в котором выделяют:

1)  угол места – угол между горизонталью и вектором скорости вылета. Без учета сил сопротивления среды оптимальный угол вылета равен 45 градусов. Для диска угол вылета 33-36, копья – 35-38, ядра – 38-39, молота – 43-44;

2) угол азимута – угол вылета в горизонтальной плоскости (правее – левее, измеряется от условно выбранного направления отсчета);

 

2) угол атаки – угол между вектором скорости вылета и продольной осью снаряда. Метатели копья стремятся, чтобы угол атаки был близок к нулю («попасть точно в копье»). Метателям диска рекомендуется выпускать диск с отрицательным углом атаки. При полете мячей, ядра и молота угла атаки нет.

3) Если воздушный поток обтекает снаряд под некоторым углом атаки, то эту силу можно разложить на составляющие: одна из них направлена по потоку – это лобовое сопротивление, другая перпендикуля-рна к потоку – это подъемная сила. Необходимым и обязательным условием возникновения подъемной силы является наличие скорости и угла наклона тела навстречу направлению движения. В тех случаях, когда подъемная сила направлена вверх и уравновешивает вес снаряда, он может начать планировать. Планирование копья и диска существенно повышает результаты в метании.

4) Если центр давления воздушного потока на снаряд не совпадает с центром тяжести, возникает вращательный момент силы, и снаряд теряет устойчивость.

5) Высота выпуска снаряда -расстояние по вертикали от точки отрыва снаряда от руки до поверхности сектора, влияет на дальность полета. Дальность полета снаряда увеличивается примерно на столько, на сколько увеличивается высота выпуска снаряда. Но высоту выпуска снаряда невозможно увеличить для одного и того же метателя. Высота выпуска снаряда будет играть роль при ана­лизе результативности различных метателей. При спортивном отборе необходимо учитывать для специализации в метаниях не только сильных, но и высокорослых, длинноруких спортсменов.

6) Вращение снаряда и сопротивление воздуха.

7) Вращение снаряда оказывает двойное влияние на его полет.

8) Во-первых, вращение стабилизирует снаряд в воздухе, действует эффект, подобный тому, который позволяет не падать вращающемуся волчку.

9) Во-вторых, быстрое вращение снаряда искривляет его траекторию (эффект Мангуса): если мяч вращается (такое вращение нередко называют спином, от англ. spin – вращение), то скорость воздушного потока на разных его сторонах будет разной.

10) Вращаясь, мяч увлекает прилегающие слои воздуха, которые начинают двигаться вокруг него.

11) В тех местах, где скорости поступательного движения мяча и его вращательного движения не совпадают, скорости складываются и скорость воздушного потока становится больше (а), с противоположной стороны мяча эти скорости вычитаются и результирующая скорость меньше (б).