Время прочтения 7 минут
Статья рассказывает о самых популярных велогонках, таких как Тур де Франс, Джиро д'Италия и Шесть дней Бремена, а также о физических силах, с которыми сталкиваются велогонщики. Вы узнаете о влиянии силы тяжести, сопротивления воздуху, трения и инерции на движение велосипедиста, а также о том, как знания физики могут помочь улучшить результаты в велоспорте. Даём советы по выбору экипировки и технике езды для повышения скорости и эффективности.
Самые популярные велогонки проводятся во Франции, в Италии и Германии.
В большинстве соревнований запрещается применять приспособления, уменьшающие сопротивление ветру. А все дело в физике. В 2017 году в сети завирусилось видео, где итальянец Михаэль Гуэрра лег на седло велосипеда и руль, превратившись в подобие стрелы, и переместился на первое место за счет аэродинамики.
Существенно снижают скорость велосипедиста встречный ветер, который усиливает сопротивление воздуха, вес спортсмена и велосипеда, поскольку чем он больше, тем сильнее притяжение к земле. Замедляет движение тип покрытия трассы. По шоссе или специальному настилу ехать куда проще, чем по булыжной мостовой или песку. Большая площадь взаимодействия дороги с протектором шин обеспечивает большую силу трения и лучшее сцепление.
Велогонщикам приходится сталкиваться с разными физическими силами, одни из которых облегчают движение и управление, а другие усложняют его. При езде на велосипеде работают: сила тяжести, сила сопротивления воздуху, сила сопротивления качению, сила трения, сила инерции, центростремительная сила.
По-другому называется гравитация или сила, с которой Земля притягивает все тела. Сила тяжести воздействует на спортсмена постоянно. Вычисляется по формуле F=m⋅g, где:
Так как ускорение свободного падения – величина постоянная, то показатель силы тяжести напрямую зависит от массы велосипедиста и самого велосипеда. Но есть нюанс: гравитация определяется также расстоянием объекта до центра Земли, поэтому при подъеме в гору, удаляясь от центра, гравитация будет сильнее.
Чем легче объект, тем проще ее преодолеть. При спуске с горы спортсмен, наоборот, приближается к центру, кроме того, на транспорт воздействует инерция, поэтому спускаться проще. При этом, чем тяжелее объект, тем быстрее он съедет.
Ветер способен существенно замедлить движение и сделать самый легкий маршрут трудным. Сила ветра на плоскую поверхность, действующая перпендикулярно объекту, определяется по формуле F=0,007*S*v2, где:
Сила перпендикулярного (лобового) сопротивления растет пропорционально скорости ветра и площади объекта. И если силу ветра велосипедист уменьшить не может, то сократить площадь столкновения в силах спортсмена. Для этого применяют специальную экипировку, в частности обтекаемый шлем, а также используют особую технику езды в групповых соревнованиях.
В момент движения вокруг объекта образуются зоны высокого и низкого давления. При встречном ветре зона высокого давления находится непосредственно перед велосипедистом, а зона низкого давления – позади. Перепад давления – это аэродинамическая сила, усложняющая движение.
Если спортсмен едет за противником, он попадает в зону низкого давления, встречает меньшую силу сопротивления ветра и экономит за счет этого свою энергию. При этом, чем ближе находишься к движущемуся впереди, тем больше экономия. Ученые подсчитали, что расстояние в 30 см даст возможность сэкономить 38% собственных сил. При боковом ветре стоит держаться справа или слева от впереди едущего, в зависимости от направления ветра.
Сила трения – это процесс взаимодействия твердых тел при их смещении относительно друг друга. На малых скоростях сила трения пропорциональна скорости тела, а при больших – квадрату скорости. За счет силы трения велосипед передвигается. Шина взаимодействует с поверхностью трассы и зависит от коэффициента скольжения, который определяется материалом и шины, и дороги.
Чем больше сила трения между колесом и покрытием, тем проще разогнать транспорт и безопасней передвигаться, особенно при маневрах. Максимальный показатель силы трения называется трением скольжения и определяется по формуле Fтр = λN, где:
Если коэффициент трения низкий, то и ехать будет сложно, другими словами, шины будут скользить, потребуется больше усилий для передвижения. Достаточно вспомнить, как сложно ехать на велосипеде по льду.
Сила терния работает и при торможении. При нажатии на рычаг (тормоз) сила трения передается тормозной колодке, удерживая колесо, так движение замедляется. А сила трения, действующая между шиной и дорогой, усиливает эффект. Чем плотнее прилегают тормозные колодки к колесу, тем больше площадь взаимодействия и сильнее трене, значит, быстрее остановка.
Трение качения возникает в момент движения колеса по плоской поверхности со скоростью прямолинейного движения. Она возникает при накатывании одного тела (колеса) на другое (дорогу). При этом оба эти предмета деформируются, образуя плоскость соприкосновения. Чем тверже поверхности этих тел, тем меньше они деформируются, тем меньше площадь соприкосновения, значит, меньшую силу нужно прикладывать для качения.
Другими словами, если колесо плохо накачено, тем сильнее оно деформируется, больше энергии нужно для движения. Аналогичная ситуация возникает с ездой по песку. Рыхлые частицы расползаются, создавая большую площадь соприкосновения.
Сила качения зависит и от диаметра колеса, чем он больше, тем меньше сила сопротивления качению.
Вычислить силу трения качения можно по формуле Fтр = λN/R, где:
При этом нормальное движение и увеличение скорости возможно, когда сила трения скольжения, больше силы трения качения.
Инерция – это сохранение скорости объекта, когда на него не воздействуют другие тела. Когда спортсмен перестает вращать педали, велосипед некоторое время продолжает свое движение. Это позволяет сэкономить силы, но может и стать причиной травмы. Когда велосипедист наезжает на препятствие, велосипед не едет дальше, но инерция сохраняет скорость ездока, и он вылетает из седла.
Силу инерции рассчитывают по формуле F ин= — m*a где:
Центростремительная сила позволяет управлять велосипедом и легко въезжать в повороты. Поворачивая, велосипед движется по дуге, скорость велосипеда направляется по касательной этой дуги, сила тяжести – вертикально вниз, а центростремительная сила – к ее центру. Тогда центростремительное ускорение можно рассчитать по формуле а=v2/R, где:
Чем больше центростремительная сила, тем быстрее и плавнее осуществляется маневр. При этом, можно вспомнить, что на большой скорости повернуть на угол 90 0 невозможно. Это связано с минимальным радиусом дуги, который рассчитывается по формуле R=v2/λ*g, где:
Так коэффициент трения, например, у сухого и мокрого асфальта различается практически в 2 раза. Тогда при скорости движения 18 км/ч (5 м/с) безопасный радиус поворота составит:
В связи с этим, велогонщики при повороте либо снижают скорость, чтобы сделать маневр более резким, либо увеличивают радиус поворота, чтобы не замедляться.
Велогонщики едут со средней скоростью 30-35 км/ч, которую могут поддерживать на шоссе в течение нескольких часов подряд. Развить скорость более 60 км/ч по ровной трассе невозможно, поскольку все зависит от человеческих возможностей и выносливости. Официальный рекорд UCI от 8 октября 2022 года принадлежит чемпиону по трековому и шоссейному велоспорту Филиппо Ганну - 56,8 км/ч.
Рекорд максимальной скорости в 295,6 км/ч был установлен в 2018 году американкой Денис Мюллер-Коренек. Но физику обмануть не удалось, только использовать ее законы. Спортсменка разогналась при помощи драгстера, двигаясь за ним на буксире. Когда трос отсоединили, автомобиль ехал впереди, преодолевая силу ветра, а часть работы сделала инерция, сформированная искусственно.
При езде велосипед не падает, благодаря эффекту гироскопа, присущему всем крутящимся вещам. Эффект позволяет без дополнительно воздействия сохранять равновесие колеса. Если придать велосипеду большую скорость, сила скольжения и инерция заставят двигаться колеса по прямой линии. При падении скорости гироскопический эффект теряется, велосипед начинает вилять и заваливаться.
При этом психологи отмечают, что человеческий мозг также оказывает влияние на движение велосипеда. Ездок подсознательно наклоняется в сторону, противоположную заваливанию транспорта. В физике явление называется «эффектом кастора».
Зная законы физики, можно значительно увеличить скорость движения на велосипеде. При езде стоит выбирать транспорт с облегченными колесами, чтобы уменьшить силу тяжести. При движении необходимо надевать обтягивающую одежду из специальных материалов, обтекаемый шлем, не расставлять широко колени и локти, держать руль ближе к центру, уменьшая парусность. Так снизится сопротивление воздуху и ветру.
Перед подъемом нужно максимально разогнаться и за счет силы инерции преодолеть часть холма без усилий. На крутом повороте стоит наоборот снижать скорость, сокращая радиус. При повороте на возвышенности нужно подниматься в максимально равнинной точке, даже если она дальше от центра окружности. Так сила инерции позволит въехать в гору быстрее.
Изучение физики может быть увлекательным и полезным процессом, если подойти к нему правильно. Начните с основ: читайте учебники, смотрите образовательные видео и выполняйте практические задания. Важно понимать, а не просто запоминать формулы и законы. Регулярная практика и решение задач помогут закрепить знания.
Однако, если вы чувствуете, что вам нужна дополнительная помощь, занятия с репетитором могут значительно ускорить процесс обучения. Репетитор сможет объяснить сложные темы, ответить на ваши вопросы и помочь подготовиться к экзаменам. На сайте Rulesay вы можете подобрать подходящего репетитора физики, который поможет вам достичь ваших целей в изучении этой науки.
Автор публикации: Команда Rulesay
Rulesay.com – сайт по подбору репетиторов
Дата публикации 3 сентября
Поделиться статьёй
Оставьте заявку и мы подберем подходящего специалиста
