Физика в спорте: фигурное катание

Для того чтобы определить, как они связаны, рассмотрим схему одноопорного скольжения (рис. 1).

На тело фигуриста, скользящего по. дуге окружности радиусом ρ, имеющего в данный момент скорость V, действуют: сила веса Р, сила трения F, направленная в сторону, противоположную движению; касательная сила инерции Jτ, параллельная оси Ох и направленная противоположно замедлению; нормальная (центробежная) сила инерции Jn, параллельная оси Оу; опорная реакция N, равная давлению фигуриста на лед и направленная по продольной оси вверх.

Составив уравнения равновесия сил и моментов и преобразовав их, получим шесть уравнений, анализируя которые можно сделать ряд важных практических выводов.

Важной характеристикой скольжения является наклон продольной оси тела к поверхности льда. Он определяет реберность скольжения — одно из основных условий высокого качества выполнения всего комплекса элементов фигурного катания.

[pic 3]

где ρ — радиус кривизны следа.

В формулу не входит масса тела. Отсюда первый вывод: угол наклона продольной оси тела фигуриста зависит только от величины радиуса дуги и скорости скольжения.

Из формулы (1) можно сделать и другой вывод: угол наклона продольной оси увеличивается пропорционально квадрату скорости скольжения и 'уменьшается с увеличением радиуса дуги скольжения.

Известно, что при малых углах наклона опорная нога может оставить на льду двухреберный след, а это грубая ошибка.

Формула (1) связывает между собой четыре величины. Каждую из них можно выразить через остальные. Интерес представляют выражения для скорости скольжения (2) и радиуса дуги скольжения (3).

[pic 4]

Величина давления конька опорной ноги на лед определяется формулой:

[pic 5]

Так как косинус угла всегда меньше единицы, то из формулы (4) следует вывод: при скольжении по дуге в состоянии динамического равновесия давление конька на лед всегда больше веса фигуриста и равно ему при скольжении по прямой.

Для более детального анализа зависимости величины давления конька на лед воспользуемся следующим соотношением:

[pic 6]

Как видим, давление на лед зависит от массы тела фигуриста, квадрата скорости, радиуса дуги скольжения и синуса угла наклона продольной оси тела фигуриста. Давление возрастает с увеличением массы тела фигуриста и скорости его скольжения и убывает с увеличением радиуса дуги и угла наклона продольной оси тела.

Сложность выполнения обязательных фигур, особенно в форме восьмерки, заключается в сохранении такой скорости скольжения, которая обеспечивает реберность и достаточно высокое качество поворотов на протяжении всей фигуры. Рассмотрим причины, вызывающие замедление скольжения при условии, что фигурист не сгибает и не разгибает опорную ногу. Кроме силы сопротивления воздуха тормозящей силой при скольжении является сила трения. Связь величины замедления с коэффициентом трения конька о лед может быть выражена следующим образом:

[pic 7]

Коэффициент трения скольжения зависит от многих причин: от качества льда, его температуры и состава воды, от материала, из которого сделано лезвие конька, и заточки. Чем ниже температура льда, тем больше коэффициент трения. Лед, полученный из жесткой воды, создает большее сопротивление скольжению, чем лед из мягкой воды. При низкой температуре лед тверже, а при повышенной мягче. В первом случае скольжение затрудняется из-за твердости льда, а во втором — из-за того, что лезвие конька глубоко врезается в мягкий лед.

Коэффициент трения на хорошем льду минимален, значит, и замедление при скольжении меньше. Коэффициент трения стали о лед колеблется в пределах 0,01—0,03.

1. Вращения

Вращения (пируэты) на одной ноге являются необходимым элементом фигурного катания. Различают пять классических поз вращения: стоя («винт»), заклон, бильман, сидя («волчок») и вращение в «ласточке» (либела). Кроме этих пяти, существует огромное количество вариаций: полубильман, «флажок», заклон «колечком» и другие. Самое быстрое вращение происходит в винте, когда скорость может превышать 2 оборота в секунду. 

Различают простые пируэты, в которых вращение происходит в относительно неизменной позе, и сложные пируэты со сменой позы (например, с переходом из положения стоя в положение сидя) или со сменой опорной ноги во время вращения. В коротких и произвольных программах важное место занимают комбинированные твращений со сменой позиций и опорной ноги.

Основы техники исполнения вращений. Вращение состоит из подхода, въезда, вращения и выезда. На рис. 2 показаны следы, оставленные при выполнении пируэта вперед. Дуги 1, 2, 3 и 4 соответствуют подходу, дуга 5 — въезду, точка 6 — вращению, а дуги 7 и 8 — выезду.

      Въезд. Это наиболее сложная и ответственная часть пируэта. Именно здесь возникает вращение. Если фигурист сообщил телу устойчивое вращение, то, как правило, сохранять и поддерживать его уже не так сложно. След, оставляемый коньком при въезде, представляет собой линию с плавно меняющейся кривизной. Выполняют въезд на согнутой ноге и не выпрямляют ее до тех пор, пока не возникнет устойчивое вращение. Вращение – это движение по окружности. Значит, скорость, созданная при заезде во вращение, превращается в ускорение. Но если набрать высокую скорость, то увеличивается шанс вылететь из круга движения.

      Вращение. В этой фазе важна точность положения тела, стабильность положения оси и центра вращения. Важную роль вращения является группировка, которая помогает сохранить устойчивость во время исполнения элемента и увеличить скорость вращения.

Рассмотрим, как выполняется группировка в пируэте стоя, называемом винтом. При вращении на левой ноге вытянутую правую ногу, не опуская, выводят вперед, сгибают в колене и скрещивают с левой. Затем правую ногу опускают, скользя задней поверхностью голени по левой. Одновременно с этим или несколько позже происходит группировка рук. В заключительной фазе руки плотно прижимают к телу, а слегка согнутую опорную ногу выпрямляют, что дает дополнительное увеличение скорости вращения. Необходимо следить за симметрией группировки, потому что неодинаковое движение рук вызывает нарушение равновесия.

Выезд. Его выполнению всегда предшествует движение, обратное группировке,— разгруппировка. Делается это для уменьшения скорости вращения, что облегчает выполнение выезда. Важно, чтобы разгруппировка заканчивалась небольшим сгибанием опорной ноги.

1. Прыжки

    Самой зрелищной частью фигурного катания являются прыжки. Уже сейчас трудно представить программы российских фигуристов без элементов ульра-си. Прыжки бывают реберные и зубцовые. Делятся она по принципу отталкивания от льда. Рассмотрим каждую группу отдельно.

      К реберным прыжкам относятся аксель, сальхов и ритбергер. Принцип их исполнения – это движение по окружности. Аксель исполняется по направлению вперед. Делается заезд вперед наружу и махом одноименной руки и ноги создается вращательное движение в воздухе. Коварность этого элемента заключается в том, что при заезде движение осуществляется по окружности и, создав вращательное движение, фигурист может заехать сильно в круг, что приведет к усложнению выезда из прыжка. Отличие сальхова от акселя заключается в том, что заезд в сальхове осуществляется спиной.

     В сальхове и ритбергере важную роль играет ускорение, которое сообщает тело при заходах на прыжки. При движении по окружности масса тела прямо пропорциональна ускорению. Тем самым, увеличив массу опоры, ускорение и силы прыжка увеличатся.

К зубцовым прыжкам относятся тулуп, флип и лутц. Рассмотрим каждый из прыжков.  

      Тулуп - прыжок с переменой ноги и положительным направлением движения. Толчок выполняется после поворота тройкой вперед-внутрь — назад-наружу, затем следует постановка носка конька толчковой ноги (левой) назад в направлении общего движения.

Прыжок тулуп отличается быстрым нарастанием угловой скорости вращения тела в толчке. Это объясняется высокой эффективностью стопорящего движения коньком толчковой ноги, выполняемого в конечный момент толчка. Возможность быстро достичь высокой скорости вращения тела делает прыжок одним из наиболее удобных для совершения трех и более оборотов.

       Флип - прыжок без перемены ноги с положительным направлением вращения.  Чаще всего этот прыжок выполняют после тройки вперед-наружу — назад-внутрь с постановкой конька толчковой ноги сзади на зубцы. После поворота тройкой в исходном перед толчком положении свободная нога и одноименная рука отведены назад, что облегчает последующее вращательное движение верхней части тела. В процессе толчка к начальному вращению, полученному поворотом верхней части тела, добавляется вращение, возникающее вследствие стопорящего движения зубцами конька толчковой ноги. Важно отметить, что для увеличения ускорения вращательного движения необходимо увеличить напряжение, создаваемое одноименной с толчковой ногой руки.

Фигурист должен добиваться энергичного разгибания не только толчковой ноги, но и опорной, иначе при приземлении тело наклонится вперед. В этом отношении толчок в прыжке флип аналогичен толчку в прыжке лутц.

        Лутц - прыжок без перемены ноги с отрицательным направлением вращения. Один из наиболее сложных и в то же время эффектных прыжков. В исходном перед толчком положении фигурист скользит назад-наружу по пологой дуге. Свободная нога впереди, одноименная рука несколько отведена назад, взгляд обращен вперед. При подготовке к толчку свободную ногу отводят рядом с опорной назад, а плечи поворачивают в сторону, противоположную вращению в полете. Толчковую ногу ставят на лед на расстоянии двух-трех длин конька сзади опорной ноги. В результате энергичного отталкивания обеими ногами фигурист отрывается от льда.

      Принцип исполнения прыжка = принципу рогатки. При заходе на прыжок накапливается скорость, которая превратиться в ускорение, и создается отрицательное движение. Именно эти действия позволяют создать вращательное движение в воздухе.

Заключение

        Таким образом, в ходе проектной работы нам удалось узнать, что в фигурном катании в исполнении элементов играют знания физических законов. В основном все элементы выполняются по окружности, потому что лезвие конька состоит из двух ребер, позволяющие менять направление движение. Поэтому, если спортсмен будет знать все нюансы выполнения элементов с точки зрения физики, то ему будет легче их исполнять. Более того, эти знания помогут ему в изучении более сложных элементов.