Использование в обучении физике технико-тактических основ спортивной деятельности

   Заключительный  этап состоит в анализе и  проверке полученного учащимся  ответа.

§2. Спорт  в задачах по физике

 

    Нами  разработаны качественные и расчетные  задачи, и приложения к учебному материалу. Их содержанием явились наиболее известные виды спорта. Задачи основаны на современных спортивных показателях, реальных характеристиках движений, физиологических данных спортсмена, оптимальных для выбранного вида спорта, объясняемые законами физики.        Приведем примеры некоторых задач.

 

2.1. Прыжок в высоту

Рассмотрим  технику прыжка в высоту с физической точки зрения. На разных фазах прыжка (разбег, толчок, полет, перелет) следует учитывать следующие физические понятия: упругие силы реакции опоры, инертность спортсмена, угол вылета в прыжок, начальная скорость полета, высота подъема, которая и является конечным результатом. Учет всех этих понятий приводит к поиску рациональных форм прыжка, их видов. Наиболее распространенные из них: перешагивание планки («ножницы»), при котором приземляются в песок на обе ноги.  Перекидной прыжок, при котором планка преодолевается перекатом лицом к планке. Наиболее современный прыжок - «фосбери - флоп», при котором спортсмен преодолевает планку горизонтально спиной к нему, совершая «мостик» над планкой.

Задача 1. Каким спортсменам: невысокого роста или высоким выгодно прыгать в высоту? Почему?

Ответ: 1) У высоких спортсменов центр тяжести выше, чем у низкорослых. По этой причине первые совершают при прыжке меньшую работу по поднятию тела. Значит, прыгунам энергетически выгодно быть высоким.

Задача 2. Техника прыжка менялась от «ножниц» к перекидному, а затем к фосбери-флопу.  Какое преимущество для прыжка с точки зрения физики заключается в смене его техники?

Ответ: Смена техники происходила по уменьшению высоты центра тяжести в максимальной точке подъема. К примеру, Валерий Брумель, прыгая перекатом, уменьшил высоту центра тяжести на 15 см. В прыжке фосбери-флопом в мостике ноги как можно ниже опускаются, а бедра и таз поднимаются как можно выше, тогда как остальная часть туловища находится уже по другую сторону планки. За счет такой позы центр тяжести при прыжке будет еще ниже, чем в прыжке перекатом. Современный мировой рекорд – 2,45 м.

Задача 3. При прыжке фосбери-флопом спортсмен разбегается по дуге, чтобы затем спиной повернуться к планке. Оптимальными углами начальной скорости к горизонту являются 35⁰ – 38⁰. При постоянном угле, чем больше начальная скорость полета, тем выше высота подъема. Почему же в вираже спортсмены не увеличивают скорость, чтобы выше прыгнуть?

Ответ: При разбеге по дуге спортсмен обладает центростремительным ускорением равным . Оно тем больше, чем больше горизонтальная составляющая скорости при постоянном радиусе кривизны. Силы трения, которая удерживает спортсмена на вираже,  будет недостаточной для обеспечения ускорения при больших скоростях.

Задача 4. Почему в прыжке фосбери-флопом приземляются на поролоновый мат, тогда как в прыжке перешагиванием достаточно ямы с песком для приземления?

Ответ: в прыжке фосбери-флопом приземляются на лопатки в отличие от «ножниц», при котором приземляются на ноги. Сила удара равна . При поролоновом покрытии увеличивается время взаимодействия, и сила удара уменьшается. Понятно, что любое другое покрытие, которое меньше амортизируется, травмоопасно. В прыжках перешагиванием песка достаточно, чтобы погасить скорость, так как в этом участвуют еще ноги, подгибаясь в коленях и тем самым дополнительно увеличивая время взаимодействия. 

2.2. Плавание

Плавание –  один из наиболее распространенных, жизненно необходимых человеку и любимых  в любом возрасте видов  спорта. В школе элементы гидродинамики изучаются мало, явно недостаточно, чтобы понять технику плавания. Но даже поверхностное знакомство с этим разделом механики позволит показать роль физических законов, как в статичной плавучести человека, так и в динамике плавания. Включение элементов техники плавания в школьную физику позволит углубить знания по гидростатике, гидродинамике, свойствам воды, пропагандировать этот полезный для физиологических функций организма вид спорта. Из техники плавания рекомендуется выбрать условия плавания в равновесии и динамике на основе физических законов, анатомическое строение  человека, способствующее скорости плавания.

Гидростатика  плавания

Физические  понятия и законы для объяснения поведения человека в воде: сила Архимеда и условия плавания, средняя плотность человека и воды, расположение (вертикальное и горизонтальное) человека в воде, давление воды, способы изменения плотности тела.

Средняя плотность  человека равна 1016 кг/м³, поэтому человек в воде тонет. Он может изменять плотность за счет вдоха и выдоха. При вдохе средняя плотность может стать 970 кг/м³, а при выдохе 1200 кг/м³. Плотность тела уменьшается также при развитых легких. Если ребенок начинает плавать с раннего возраста, то средняя плотность тела может стать 993 кг/м³. Архимедова сила зависит от степени погружения в воду. Если голова находится над водой, Архимедова сила уже будет меньше, чем при полном погружении в воду. 

Задача5. Вы, наверно, видели неоднократно в кинофильмах, как люди тонут: они уходят под  воду вертикально головою вверх. Соответствует ли такая форма погружения в воду физическим законам? 

Решение. Пусть человек полностью погружен в воду и находится в горизонтальном состоянии. Центр тяжести сдвинут к ногам, как к самым тяжелым частям тела. Сила Архимеда равна весу воды в объеме тела человека. Вода однородное вещество, поэтому точка приложения силы Архимеда находится ближе к голове. На человека начнет действовать момент сил, разворачивающий человека по часовой стрелке.

 

 

 

 

Человек расположится вертикально, при этом момент сил равен нулю и, так как средняя плотность обычного человека чуть больше плотности воды, он уйдет под воду вертикально. Значит, в кинофильмах  правильно показывают тонущего человека.

Задача 6. При каком анатомическом строении тела человек лучше всего держится в пресной воде, не прилагая к этому дополнительных усилий в виде движений рук и ног?

Ответ. Желательно, чтобы ноги пловца не были «тяжелыми», при этом центр тяжести максимально приближен к точке приложения выталкивающей силы или даже совпадает с ним. Значит, у него должны быть короткие ноги. Это обеспечит ему горизонтальное положение. У пловца должны быть развитые легкие, чтобы его средняя плотность была меньше плотности воды. Такое строение тела у Майкла Фелпса, единственного в истории спорта 14-кратного Олимпийского чемпиона, 26-кратного чемпиона мира. К тому же такая анатомия тела делает его более обтекаемым, что существенно уменьшает сопротивление при движении в воде.

Задача 7. Оцените  выталкивающую  силу, действующую на Вас, если Вы лежите в ванной, высунув только нос. Вытяните в воде, расслабив мышцы, сначала руки, затем ногу. Объясните наблюдаемое явление.

Решение. Выбрать среднюю плотность человека. Зная свою массу, определить объем своего тела. По этим величинам рассчитать Архимедову силу. Скорее всего, руки будут держаться во взвешенном состоянии в воде горизонтально, не всплывая, или всплывут, а ноги также всплывут или опустятся вниз. Отсюда можно сделать вывод о  различной плотности частей тел.

Гидродинамика плавания

Физические  понятия и законы: упругость воды, вязкое трение, турбулентность течения, форма тела пловца, сила сопротивления в воде, угол атаки, подъемная сила в воде, закон Бернулли. 

Не вдаваясь подробно в схему действия сил, действующих  на пловца, процесс плавания можно объяснить так. При плавании человек отталкивается от воды, в основном, кистями рук и ногами, как от упругой среды, в которой возникают деформации, похожие на деформацию сдвига. Чем больше по размеру конечности человека (большие кисти, большая стопа), тем лучше, результативнее гребок. (У того же Майкла Фелпса 47 размер обуви, широкие  кисти и длинные руки, размах которых 2 метра). Вода действует на человека вперед, создавая силу тяги. За счет того, что пловец держится в воде под углом, возникает подъемная сила и дополнительная сила тяги. При движении спортсмена в воде сила вязкого трения уже не равна , где r – коэффициент сопротивления воды, так как скорость большая. Она пропорциональна плотности воды, площади поперечного сечения пловца и квадрату его скорости:  .

Кроме вязкого  трения на пловца действует сопротивление  воды за счет завихрений за ним. По закону Бернулли сзади у ног образуется область пониженного давления, что  дополнительно тормозит движение. К тому же на воде при плавании всегда образуются волны, которые поднимаются от движений рук, ног, туловища, и также оказывают сопротивление движению. Цель пловцов, а также его тренеров – разработать такую технику и тактику плавания, чтобы уменьшить все три силы сопротивления.

Задача 8. Какие способы уменьшения вязкого трения Вы можете предложить? Обоснуйте свое предложение с физической точки зрения.

Ответ: из формулы видно, что ни одну физическую величину, определяющую силу сопротивления, невозможно изменить. Остается изменить коэффициент сопротивления воды. Вязкое трение образуется за счет прилипания к движущемуся объекту капелек воды, которые в свою очередь взаимодействуют с соседними слоями воды. Один из способов уменьшения сопротивления – устранение прилипания воды к костюму пловца. Поэтому они должны делаться из водоотталкивающего материала, которые все совершенствуются. Если раньше был только шелк, затем капрон, то теперь их разработками занимаются целые спортивные фирмы - производители. Когда речь идет о сотых долях секунды, гидрокостюм имеет большое значение. Разработаны новые требования к нему (весу, толщине, степени закрытия туловища), которые должны уравнять шансы всех пловцов, так как  известно большое количество случаев на последних Олимпиадах, когда именно за счет новой технологии гидрокостюмов, которые уменьшали вязкое трение на 25%,  были установлены рекорды. Такого не должно быть. Гидрокостюмы должны быть легкими и облегать тело, что также приводит к уменьшению силы вязкого трения. Не нужно быть спортсменом, чтобы почувствовать на себе, что пузырящийся купальник, разные украшения, отсутствие купальной шапочки мешают плаванию, создавая дополнительную силу сопротивления. Второй способ уменьшения вязкого трения – уменьшить площадь соприкосновения с водой, то есть, высовываться из воды в процессе плавания как можно выше. Это можно видеть у пловцов в некоторых видах плавания, например, в баттерфляе и дельфином.

Задача 9. Поставьте ложку выпуклой стороной под углом к вытекающей струе воды из крана. Пронаблюдайте поведение стекающей с конца ложки воды при слабой струе. Постепенно увеличивайте скорость струи и наблюдайте внимательно за ее поведением.  Что происходит со стекающей водой? Изменяйте угол наклона ложки. Что изменилось? Объясните все эффекты.

Ответ: При небольшой скорости воды, вода обтекает ложку и с ее конца стекает по касательной. При большой скорости струи вода отклоняется вниз и в сторону вогнутой части ложки. Это происходит потому, что за ложкой образуется завихрение, которое уменьшает давление в движущейся струе. Образование вихрей зависит от угла наклона ложки. Чем больше наклон, тем они сильнее. Сила внешнего атмосферного давления действует поперек струи и отклоняет ее внутрь.  Опыт показывает вредное последствие вихрей за пловцом, приводящих к возникновению дополнительного сопротивления.

Задача 10. Какие способы уменьшения сопротивления за счет завихрения Вы можете предложить? Объясните, почему?

Ответ: Повысить  обтекаемость тела. Это делается  за счет гидрокостюма и формы тела спортсмена. Как было указано выше,  у Фелпса форма тела очень обтекаема за счет анатомического строения. Было бы идеальным, чтобы форма тела у пловцов была, как у рыб. Степень завихрения изменяется и с положением спортсмена в воде, а именно отклонением его от горизонтального положения, так называемого угла  атаки. Лучшим положением плавания будет почти горизонтальное, с небольшим углом атаки.

Задача 11. Как уменьшить сопротивление за счет волн?

Ответ: меньше поднимать ноги, делать соответствующие движения рук, не раскачиваться телом.  Кстати, волны больше поднимают неумелые пловцы, у опытных – их мало. Самый эффективный способ – плыть под водой. Там нет волн. Вообще, под водой всегда легче плавать.

2.3. Кёрлинг

Кёрлинг как  командная спортивная игра входит в Олимпийский вид спорта с 1998 года. В России она недавно стала известной для зрителя и  сейчас становится популярной игрой, как боулинг, бильярд, если есть для него каток.  К предстоящей Олимпиаде в Сочи строится ледовая арена для кёрлинга. Для массового зрителя, который смотрит соревнования по телевизору, малопонятны действия участников команды. Единственное, что ясно:  огромную тяжелую каменную шайбу с ручкой надо закатить в «домик». Кстати, масса шайбы почти 20 кг и вырезана она из особого гранита.

Отрабатываемые  физические понятия: сила трения скольжения, внутренняя энергия, механическая работа, коэффициент трения, физические свойства твердых тел.

 Задача 13. Для чего участники игры бегут впереди шайбы и довольно интенсивно щетками натирают лед?

Ответ. А что происходит с любым телом, когда его интенсивно трут? Он нагревается. При натирании льда совершается механическая работа, которая превращается во внутреннюю энергию льда. Лед подтаивает, уменьшается коэффициент трения камня со льдом за счет тонкой прослойки воды, что ведет к изменению траектории диска в нужном направлении. Значит, натирая лед можно повернуть диск к мишени.

Задача 14. Участники команды то скользят по льду, то идут по нему,  перебирая ногами. Как возможно одновременно скользить и ходить по скользкому льду?

Ответ: такое может быть в единственном случае – если у спортсменов на ногах обувь с разными подошвами. Действительно, ботинки для кёрлинга отличаются подошвами. Один ботинок имеет подошву, сделанную из тефлона, пластика или стали, которые имеют очень маленький коэффициент трения со льдом. Другой имеет подошву из резины, у которой большой коэффициент трения со льдом. На одной ноге спортсмены скользят, опираясь на другую – идут.