Aerodynamika na podstawie skoków narciarskich

1. Bardziej opisowo...

Skoki narciarskie są sportem, który w dużej mierze jest uzależniony od praw aerodynamiki... Najbardziej widoczne jest to w samej fazie lotu, ale również w momencie zjazdu z rozbiegu, czy nawet w samym rodzaju ubrania i kształcie nart.

• Aerodynamiczny styl
Styl Boklva (nazwany tak od jego twórcy, szwedzkiego skoczka Jana Boklva), jest teraz jedynym stosowanym stylem. Od poprzedniego, równoległego, różni się ułożeniem nart w kształt litery V.

Styl ten daje skoczkom kilka dodatkowych metrów, dzieje się tak przede wszystkim dzięki silnemu pionowemu naciskowi powietrza na górną część nart. Rezultatem tego jest szybki lot i mały nacisk powietrza na czubki nart. Tunele aerodynamiczne dowiodły, że styl ten zapewnia 28% więcej siły nośnej, niż tradycyjny.

• Aerodynamiczny skok
Podczas zjeżdżania na rozbiegu, skoczek przygotowuje się do wyjścia z progu, trzymając nisko ramiona, zgięte kolana i ciało ułożone równolegle do stoku.

Celem wyjścia z progu jest połączenie silnego wypchnięcia bioder z ruchem do przodu, bez straty prędkości.

Skoczek leci nad zeskokiem w aerodynamicznej pozycji, starając się uzyskać jak największą siłę nośną dla ciała i nart.

Tuż przed lądowaniem, przybiera bardziej wyprostowaną pozycję,

ugina kolana, wysuwa jedną nogę do przodu, żeby zminimalizować skutki uderzenia. Ta pozycja, znana jako telemark, chroni również skoczka przed upadkiem do przodu.


• Aerodynamiczne wyposażenie
Kombinezony skoczków narciarskich przylegają do ciał (a od przyszłego roku staną się jeszcze bardziej obcisłe). Ponieważ powietrze może dostać się do środka (powodując efekt balonu), kombinezon nie może być grubszy niż 5mm.
Narty są długie, mogą osiągać nawet 260cm. Maksymalna długość nart dla danego skoczka liczona jest przez pomnożenie jego wzrostu (w centymetrach) przez 1,46. Jednak od przyszłego roku przelicznik ten będzie uwzględniać również masę zawodników. Większość nart ma 5 albo 6 rowków na spodzie, żeby pomóc utrzymać skoczkowi prosty kierunek. Narty nie mogą być szersze niż 11,5 cm; produkowane są z wąskich warstw modelowanego drewna, metalu i włókna szklanego, co zapewnia im największą nośność. Przed zawodami sportowcy smarują swoje narty i ostrzą krawędzie, żeby uzyskać większą prędkość na rozbiegu.


2. Bardziej fizycznie...

Wpływ poruszającego się powietrza na opływane przez nie ciało można zaobserwować wystawiając dłoń przez okno jadącego samochodu. Im większa prędkość samochodu (i jednocześnie powietrza), tym większe odczuwamy siły. Kierunek i wartość siły zmienia się również w zależności od położenia dłoni: pęd powietrza może ją ciągnąć w dół lub w górę i jednocześnie do tyłu - albo wyłącznie do tyłu. Im większe pochylenie dłoni, tym bardziej pionowo skierowana jest siła - ale po przekroczeniu pewnego kąta pionowe działanie siły gwałtownie zanika. Ogólna wartość siły będzie znacznie mniejsza, gdy zaciśniemy pięść - większa, gdy dłoń będzie rozwarta...

Zachowanie się ciała w opływającym je powietrzu zależy przede wszystkim od kształtu tego ciała. Kształty zapewniające pewne pożądane właściwości (np. mały opór, dużą siłę nośną) nazywamy kształtami aerodynamicznymi. Dla każdego ciała określa się pewne charakterystyczne parametry. Są to siły aerodynamiczne

Siły aerodynamiczne oznaczają siły i momenty spowodowane poruszaniem się ciała w powietrzu. Wartość i kierunek siły działającej na poruszające się w powietrzu ciało - tzw. wypadkowej siły aerodynamicznej - zależy od prędkości ruchu, wielkości (powierzchni) ciała, kształtu ciała i jego ustawienia względem kierunku ruchu oraz od gęstości powietrza. Dowiedziono, że wartość tej siły określa wzór:
R=1/2 ρ S v2 cR, gdzie
R - wypadkowa siła aerodynamiczna,
ρ - (ro) gęstość powietrza,
S - powierzchnia ciała,
v - prędkość ruchu,
cR - bezwymiarowy współczynnik siły aerodynamicznej.

Kierunek działania wypadkowej siły aerodynamicznej zależy m.in. od aerodynamicznej charakterystyki danego ciała i kąta natarcia. Siłę tę można jednak rozłożyć na dwie składowe: prostopadłą do kierunku ruchu pożyteczną siłę nośną Pz i niekorzystną siłę oporu Px, równoległą do kierunku ruchu, jednak skierowaną przeciwnie.

Prawo Bernoulliego mówi, że suma ciśnienia statycznego i dynamicznego wzdłuż strugi przepływającego powietrza jest stała:
p1+ρ v12/2 = p2+ρ v22/2 = const

Kiedy wyobrazimy sobie skoczka narciarskiego w fazie lotu, możemy zauważyć, że strumień powietrza opływający jego górną powierzchnię ma do pokonania drogę dłuższą niż dolny, zaś zgodnie z zasadą ciągłości ruchu oba muszą to zrobić w tym samym czasie. Wobec tego prędkość powietrza przemieszczającego się wzdłuż górnej powierzchni ciała skoczka musi być większa, niż prędkość strumienia opływającego jego dolną powierzchnię. Zgodnie z prawem Bernoulliego, większej prędkości przepływu towarzyszy mniejsze ciśnienie - i już mamy różnicę ciśnień na obu powierzchniach ciała skoczka! Różnica ciśnień daje siłę nośną, skierowaną do góry prostopadle do niezakłóconego kierunku prędkości. Korzystając z równania Bernoulliego, możemy stwierdzić, że różnica ciśnień - i siła - jest zależna od gęstości powietrza i kwadratu prędkości. Stąd można wyprowadzić wzór na siłę nośną skoczka:
Pz=1/2 ρ S v2 cz, gdzie
Pz - siła nośna,
ρ - (ro) gęstość powietrza,
S - powierzchnia skoczka,
v - prędkość ruchu,
cz - bezwymiarowy współczynnik siły nośnej, zależny od kształtu i kąta natarcia profilu.

Wspomniane na początku doświadczenie z dłonią wystawioną przez okno jadącego samochodu pokazało, że siła nośna rośnie wraz ze wzrostem kąta natarcia - spowodowane jest to rosnącą różnicą prędkości przepływów. Zauważmy, że ciało skoczka możemy również ustawić pod takim kątem, że prędkości przepływów będą równe - zaniknie różnica ciśnień i siła nośna; kąt taki zwany jest kątem zerowej siły nośnej. Przy kątach mniejszych siła nośna będzie skierowana w dół. Wracając do doświadczenia z dłonią, wzrost siły nośnej towarzyszy wzrostowi kąta natarcia tylko do pewnego kąta, po przekroczeniu którego siła nośna gwałtownie maleje. Spowodowane jest to oderwaniem strug na górnej powierzchni profilu - kąt, przy którym siła nośna ma wartość maksymalną, zwany jest kątem krytycznym.

Opływowi powietrza wokół ciała towarzyszą także opory, co również łatwo stwierdzić doświadczalnie. Nietrudno sobie uzmysłowić, że ciało o powierzchni gładkiej napotyka na opór mniejszy, niż ciało chropowate, a ciało o kształtach bardziej zwartych stwarza mniejszy opór niż ciało bardziej \"rozłożyste\". Mamy więc do czynienia z oporem tarcia i oporem kształtu.

Opór tarcia spowodowany jest lepkością opływającego skoczka powietrza -cząsteczki powietrza stykające się z ciałem skoczka wskutek lepkości przylegają do niego, a więc mają względem niego prędkość równą zeru; prędkość zbliżoną do prędkości przepływu niezakłóconego mają dopiero cząsteczki znacznie od skoczka oddalone. W bezpośredniej bliskości powierzchni ciała skoczka znajduje się zatem warstwa, w której prędkość powietrza rośnie od zera do prędkości przepływu - jest to tzw. warstwa przyścienna. Jej grubość jest najmniejsza na krawędzi natarcia i rośnie w stronę krawędzi spływu, dochodząc do kilku milimetrów. Ze względu na różnice prędkości, cząsteczki powietrza w warstwie przyściennej zderzają się ze sobą - tak powstaje siła skierowana zgodnie z kierunkiem prędkości przepływu, nazywana oporem tarcia.

Opór kształtu zależy od kształtu ciała, a także od jego wielkości i położenia w stosunku do opływającego powietrza. Jego główną przyczyną są zderzenia cząsteczek powietrza z czołową powierzchnią ciała oznaczające wzrost ciśnienia. Istotne jest również ukształtowanie strony \"zawietrznej\" - bryły opływowe dają minimalne zakłócenia przepływu, inne kształty wytwarzają za sobą zawirowania, w których cząsteczki powietrza poruszają się ze zwiększoną prędkością, a to, wiąże się ze spadkiem ciśnienia. Zwiększona w ten sposób różnica ciśnień między przednią a tylnią częścią ciała oznacza zwiększony opór.

3. Zakończenie...

Na koniec chciałabym jeszcze raz podkreślić, jak niezwykle istotne dla skoków narciarskich są zasady aerodynamiki. Współcześnie istnieją grupy specjalistów, którzy zajmują się badaniem najkorzystniejszych pozycji skoczków w czasie lotu, tworzeniem nowych, lepszych materiałów przeznaczonych do tworzenia kombinezonów i nart – a wszystko to w oparciu o prawa aerodynamiki. Sport ten w coraz mniejszym stopniu jest wyczynowy, a w coraz większym – „fizyczny”...