Минимизировать сопротивление воздуха и поверхности — ключевой способ современной борьбы спортсменов за время в скоростных видах спорта. Горнолыжный спорт не исключение. Поэтому ученые из японского университета Цукубы использовали аэродинамическую трубу, чтобы исследовать характер обтекания воздухом мчащихся с горы лыжников.
Если в слаломе скорость спортсменов достигает лишь порядка 30 км/ч, то в таких дисциплинах, как скоростной спуск, атлет может разогнаться до 120 км/ч. На таких скоростях сила сопротивления воздуха становится значительной, и любое ее снижение, будь то за счет применения особых материалов экипировки или в позе спортсмена, приводит к выигрышу критичных для победы долей секунд.
Эксперименты по продуванию манекенов спортсменов-горнолыжников проводились и ранее. Однако в них ученым удавалось измерить общую силу сопротивления, но не получалось узнать, какие именно части тела дают наибольший вклад в эту силу. Дать ответы на этот вопрос и показать, как позади спортсмена образуются воздушные вихри, впервые помогли методы вычислительной гидродинамики.
В своих экспериментах японские физики использовали правдоподобный макет горнолыжника с палками, лыжами, шлемом и ботинками.
Эксперименты по обтеканию воздухом проводились в аэродинамической трубе размером 1,5 на 1,5 м, имеющейся в Университете Цукубы. С ее помощью ученые смогли измерить силу сопротивления воздуха на разных скоростях и выяснили, что она равна 27 Ньютонам при скорости 15 м/с и значительно растет (до 186 Ньютонов) при скорости 40 м/с.
Чтобы изучить характер течения воздуха за спиной макета, ученые использовали метод решеточных уравнений Больцмана — прием, применяемый для моделирования поведения жидкостей.
«Этот метод позволил нам определить области пониженной скорости течения воздуха и места, где формируются вихри», — пояснили авторы работы, опубликованной в журнале European Journal of Physics.
«Визуализация поля скоростей воздуха показала, что основными источниками сопротивления в сгруппированной позиции лыжника являются
голова, плечи, верхняя часть ноги и бедро (включая ягодицы).
Поэтому позиции, в которых трение уменьшается в этих областях, обеспечат технологическое преимущество при спуске», — считают авторы работы. По их словам, именно на эти части тела дизайнерам экипировки надо обратить пристальное внимание.
Достоверность этих выводов была подтверждена высокой корреляцией между полученными результатами в аэродинамической трубе с компьютерными симуляциями. Ученые установили, что в процессе спуска лыжника на него действуют и вертикальные силы, в основном — на торс и бедра.
«При этом на торс сила действует вверх, на бедра — вниз», — говорится в статье.
«Теперь зная, какие части тела больше всего влияют на спуск лыжника, мы можем проектировать снаряжение так, чтобы уменьшать сопротивление воздуха в этих местах, и советовать, как менять позу спортсмена для увеличения скорости», — говорится в выводах.
В последующих работах ученые намерены уделить больше внимания влиянию подъемной силы и движений лыжников в различных позах.
Аэродинамические расчеты приходят на помощь спортсменам далеко не впервые. Так, в 2015 году ученые из Университета Эндховена в Голландии пришли к неожиданным выводам, что велогонщикам, участвующим в заездах по обычным дорогам, могут существенно помогать машины сопровождения.
Это происходит за счет того, что следующие за гонщиками автомобили создают перед собой область повышенного давления. Физики подсчитали, что машина, едущая за велосипедистом со скоростью 54 км/ч на расстоянии 10 м, на дистанции в 50 км даст ему фору в 3,9 секунды. Если же машина сопровождения пристроится на 5 м, тренер может «подкинуть» своему гонщику целых 24 секунды!