Niansētā renes sporta fizika – kā cilvēki trasē 'lido' ātrāk par automašīnām uz šosejas

Es pētu sporta fiziku. Lielu daļu no aizraujošajām niansēm renes sporta veidos ir grūti palaist garām nepamanītu. Sportistu kustības bieži vien ir pārāk niecīgas, lai mēs tās ievērotu, kad sportisti traucas mums garām milzu ārumā un TV ekrānos izskatās vien pēc izplūduša pleķa. Gribētos domāt, ka sacensību dalībnieki nedara neko vairāk kā vien ļauj sev krist vai slīdēt lejup pa trasi gravitācijas ietekmē. Taču tas ir vien virspusējs priekšstats, un zelta medaļu kaldinošā braucienā lomu spēlē daudz un dažādas smalkas fizikas nianses.

Gravitācija ir tā, kuras ietekmē kamanas, skeletoni un bobi traucas lejup pa ledus reni. Fizikas "lielā bilde" te ir skaidra – sāc no zināma augstuma un tad "krīti" lejup uz zemāku vietu, ļaujot gravitācijai piešķirt tev paātrinājumu līdz pat 90 jūdzēm vai apmēram 145 kilometriem stundā.

Šogad sacīkstes notiek Jaņcjinas bobsleja un kamaniņu trasē. Tā ir aptuveni jūdzi jeb 1,6 kilometrus gara, un trases vertikālais kritums ir 121 metrs. Tajā ir 16 virāžas, bet stāvākajā posmā slīpums ir pat 18%.

Sportisti iespaidīgo ātrumu sasniedz, potenciālajai enerģijai pārtopot kinētiskajā enerģijā. Potenciālā enerģija reprezentē uzkrātu enerģiju – tā piemīt virs zemes paceltiem ķermeņiem un arvien pieaug, jo augstāk objekts atrodas no Zemes virsmas. Ķermeni palaižot vaļā, objekts krīt un potenciālā enerģija pārvēršas kustībā. Kinētiskā enerģija ir enerģija, kas piemīt kustībā esošiem ķermeņiem. Loga rūtī iesviesta beisbola bumbiņa sašķaidīs stiklu tāpēc, ka bumba savu kinētisko enerģiju pārnes uz stiklu. Gan potenciālā, gan kinētiskā enerģija pieaug, jo smagāks ir ķermenis. Tas nozīmē, ka pie noteikta ātruma bobsleja četrinieku ekipāžai ir daudz lielāka enerģija nekā kamaniņu sportistam vai skeletonistam.

Sportistiem jāsavalda pamatīga kinētiskā enerģija un jātiek galā ar spēcīgiem spēkiem, kas uz sportistu vai sportisti iedarbojas. Iebraucot virāžā ar ātrumu 80 jūdzes jeb aptuveni 130 kilometri stundā, sportistu ķermenis piedzīvo paātrinājumu, kas ir piecas reizes lielāks par normālo brīvās krišanas paātrinājumu. Kaut no malas braukšana ar bobu, kamaniņām vai skeletonu varētu izskatīties viegla, realitātē tā nebūt nav.

Lielākā daļa bobsleja un kamaniņu trašu ir aptuveni jūdzi jeb 1,6 kilometrus garas, un sportisti šo distanci parasti pieveic nedaudz ātrāk nekā minūtē. Gala rezultātu aprēķina, sasummējot četru atsevišķo braucienu rezultātus. Galu galā atšķirība starp zelta un sudraba medaļu 2018. gada ziemas olimpiskajās spēlēs kamaniņās vīriešiem bija vien 0,026 sekundes. Katra sīkākā kļūda, ko pieļauj sportists, var nozīmēt zaudētu medaļu.

Visi sportisti sāk no vienāda augstuma un brauc pa vienu un to pašu trasi. Tāpēc atšķirību starp zelta medaļu un izgāšanos nosaka nevis atšķirības potenciālajā enerģijā, bet starta ātrums, pēc iespējas veiksmīgāk izvēlētas trajektorijas (pēc iespējas īsāks veicamais ceļš) un pēc iespējas labāka aerodinamika.

Gravitācija ir tā, kas "rauj" sportistus ar kamaniņām vai bobiem lejup pa trasi, taču visa ceļa garumā tie nemitīgi saduras ar gaisu. To sauc par aerodinamiski pretestību – spēku, kas darbojas uz ķermeni, tam pārvietojoties gāzveida vidē (šajā gadījumā gaisā). Šis spēks ir vērsts pretēji kustības virzienam un tādējādi bremzē kustību. Jo labāks atlēta vai visas ekipāžas aerodinamiskais "profils", ko mazāka aerodinamiskā pretestība un jo lielāku ātrumu iespējams sasniegt.

Lai samazinātu aerodinamisko pretestību, kamaniņu sportisti cenšas gulēt pēc iespējas ciešāk kamaniņās. To pašu dara arī skeletonisti. Bobsleja ekipāžās – gan divniekos, gan četriniekos – stūmēji pēc iespējas ciešāk cenšas "ietūcīties" bobā, lai samazinātu virsmu, pret kuru atsisties gaisa daļiņām. Jebkura kļūda, kas pieļauta, ieguļoties kamanās vai skeletonā, vai iesēžoties bobā, samazina sportista vai ekipāžas aerodinamiku un noved pie tām tikko jaušamajām atšķirībām, kas var maksāt medaļu. Turklāt šīs kļūdas brauciena laikā pie liela paātrinājuma pēc tam ir grūti koriģēt.

Vēl viens būtisks aspekts bez labas aerodinamikas, kas nosaka atšķirību starp ātru vai lēnu braucienu, ir izvēlētā trajektorija. Ja braucējiem izdodas izvairīties no sliktām trajektorijām virāžās, izvairīties no zigzagošanas renē, tad kopumā veicamā distance būs pēc iespējas īsāka. Tas nozīmē ne tikai īsāku ceļu no starta līdz finišam, bet arī īsāku laiku, uz kurā uz sportistu vai ekipāžu iedarboties aerodinamiskajai pretestībai un slīdes berzes spēkam.

Līdzjutējiem niansētās kustības, kuras sportisti veic, lai stūrētu kamaniņas, skeletonu vai bobu, bieži paliek nepamanītas. Bobam ir divi pāri slieču, un pilots bobu vada, ar stūrēšanas mehānismu kustinot priekšējās slieces. Kamanām ir divas slieces ar uzliektiem galiem, kuriem sportisti piespiež savus ikrus – braucējs vai braucēja kamanas vada, kustinot galvu, plecus un sasprindzinot ikru muskuļus. Skeletonā sportistiem šādu iespēju nav, tāpēc pagriešana notiek, izdarot spiedienu uz pašu skeletonu, izmantojot plecus, ceļgalus. Pat neliela nepareiza galvas kustība var nozīmēt novirzīšanos no optimālas trajektorijas.

Televīzijā visas šīs nianses ir diezgan grūti saskatīt, taču sekas ir būtiskas – stūrēšanā pieļautas kļūdas var novest vai nu pie sliktām trajektorijām un lēna brauciena, vai sliktākajā gadījumā ietriekšanās renes sienās un apgāšanās.

Kaut varētu šķist, ka renes sporta veidos braucēji vienkārši nošļūc pa ledu, tam visam "apakšā" ir daudz, daudz nianšu. Skatītājiem cītīgi jāseko līdzi un uzmanīgi jāvēro sportisti, lai pamanītu šos aizraujošos fizikas aspektus darbībā.

--

Šis raksts ir pārpublicēts no "The Conversation" saskaņā ar "Creative Commons" licenci. Visu rakstu oriģinālvalodā var lasīt vietnē "The Conversation".

Raksta autors ir Džons Ēriks Gofs, Linčburgas Universitātes fizikas profesors, kurš pievērsies sporta fizikai. Gofs tostarp pēta gan Pasaules kausa futbolā bumbu aerodinamiku, gan modelē dažādus "Tour de France" sacīkšu parametrus, gan pēta, piemēram, berzi starp tenisa apaviem un cietā seguma kortu virsmu.