W tym wpisie na blogu przyjrzymy się, w jaki sposób postęp technologiczny w sporcie wpłynął na wyniki i uczciwość, na przykładzie zaawansowanych technologicznie strojów kąpielowych.
W 2008 roku, kiedy firma produkująca stroje kąpielowe Speedo opracowała i zaprezentowała kostium kąpielowy wykorzystujący najnowocześniejsze materiały i technologię o nazwie „Laser Racer”, w świecie pływania zaczęto używać terminu „doping technologiczny”. Spośród 25 rekordów świata ustanowionych na Igrzyskach Olimpijskich w Pekinie w 2008 roku, 23 zostały ustanowione przez sportowców noszących te zaawansowane technologicznie kostiumy kąpielowe, co dało początek terminowi „efekt laserowy”.
Wielu sportowców nosiło te pełne kostiumy kąpielowe „Lazer Racer” na igrzyskach olimpijskich w Pekinie, a różne rekordy świata zostały pobite. W miarę jak problem się utrzymywał, Międzynarodowa Federacja Pływacka zakazała używania zaawansowanych technologicznie kostiumów kąpielowych. Jaki wpływ miały te zaawansowane technologicznie kostiumy kąpielowe, które spowodowały takie wyniki zawodów i kontrowersje?
Jak wiemy z doświadczenia, gdy człowiek porusza się w wodzie, napotyka opór wody. Opór ten obejmuje opór spowodowany uderzeniem wody w ciało (opór kształtu), opór spowodowany przepływem wody po powierzchni ciała (opór tarcia powierzchniowego) i opór spowodowany różnicą ciśnień między przednią a tylną częścią ciała (opór ciśnienia).
Aby zmniejszyć opór kształtu, konieczne jest zmniejszenie ilości kontaktu ciała z wodą, dlatego ludzie kładą się twarzą w dół w wodzie, aby „pływać”. Pływanie jest naturalnie szybsze niż chodzenie w wodzie. Podczas zawodów pływackich sportowcy pływają tym samym stylem, a ich warunki fizyczne nie różnią się znacząco, więc nie ma znaczącej różnicy w prędkości. Aby stworzyć niewielką różnicę, sportowcy trenują i budują swoje ciała.
Jednak pojawiły się problemy z oporem tarcia powierzchni i oporem ciśnienia. Wcześniej większość sportowców pływała w bardzo skąpych ubraniach, więc nie było tu znaczącej różnicy. Co najwyżej próbowali zmniejszyć tarcie, przycinając włosy na ciele. Jednak wraz z pojawieniem się kostiumów kąpielowych zakrywających całe ciało, powierzchnia ciała zmieniła się, aby przypominać rybę. To zmniejszyło tarcie między ciałem a wodą, co z kolei zmniejszyło różnicę ciśnień między przednią a tylną częścią ciała, przezwyciężając problem, który wcześniej był nie do pokonania.
Istotę dynamiki płynów dobrze ilustruje ta długa historia kostiumów kąpielowych i wody. Wszystko, co płynie wokół nas, można po prostu opisać jako płyn, przy czym najczęstszymi przykładami są woda i powietrze. Dynamika płynów to analiza zjawisk zachodzących między płynami i obiektami, jak opisano powyżej. W pływaniu pływak jest obiektem, a woda jest płynem. Trzy rodzaje oporu wymienione powyżej mogą istnieć między wszystkimi płynami i obiektami. Dotyczy to nie tylko sytuacji, gdy pływak pływa w wodzie, ale także sytuacji, gdy samolot leci w powietrzu, gdy piłka baseballowa leci w powietrzu, a nawet gdy spadają krople deszczu.
Odwrotnie, to samo dotyczy sytuacji, gdy obiekt jest nieruchomy, a płyn płynie. Wiatr, który czujesz, gdy włączasz wentylator, jest taki sam, jak wiatr, który czujesz, gdy jedziesz motocyklem. Dlatego mechanika płynów analizuje również to, co się dzieje, gdy wiatr wieje przez szczeliny w budynkach lub gdy woda rzeczna przepływa wokół filarów mostu. To samo dotyczy sytuacji, gdy obiekt zmienia się nieznacznie. Ten sam opór występuje między obiektami i płynami, gdy woda przepływa przez rurę wodną lub gdy wiatr wieje do tunelu. Chociaż jest to nieco bardziej skomplikowane, opór występuje również, gdy krew przepływa przez naczynia krwionośne. Jest to również analizowane w tej samej dziedzinie. Mechanika płynów to dziedzina nauki, która analizuje wszystkie zjawiska zachodzące między płynami i obiektami.
Jak więc mechanika płynów analizuje te zjawiska? Istnieją dwie główne metody, które dzielą się na dwa obszary: eksperymentalną mechanikę płynów i obliczeniową mechanikę płynów. Te dwie metody służą do pomiaru oporu i obserwacji różnych innych zjawisk.
Mechanika płynów eksperymentalna, jak sama nazwa wskazuje, zajmuje się analizą zjawisk zachodzących pomiędzy płynami i obiektami poprzez eksperymenty.
Ponownie wykorzystując przykład strojów kąpielowych, możemy obserwować lub mierzyć, co się dzieje, gdy manekiny noszące różne stroje kąpielowe poruszają się w wodzie. Jeśli celem jest zmniejszenie oporu, możemy wybrać strój kąpielowy wykonany z materiału o najmniejszym oporze poprzez takie eksperymenty. Oczywiście głupotą byłoby wytwarzanie strojów kąpielowych ze wszystkich materiałów i ubieranie w nie drogich manekinów, dlatego bardzo ważne jest również znalezienie sposobu na przeprowadzanie eksperymentów przy niższych kosztach i mniejszym wysiłku.
Obliczeniowa dynamika płynów to analiza dynamiki płynów przy użyciu komputerów. Jest to metoda obliczania właściwości dynamicznych obiektów i płynów poprzez przekształcanie ich na wzory i liczby. Jednak jej zastosowanie jest nadal ograniczone, ponieważ istnieją znaczne różnice między wynikami eksperymentów a wynikami obliczeń podczas analizowania złożonych zjawisk lub gdy właściwości obiektów nie są dobrze poznane. Jednak wraz z postępem wydajności komputerów jej zastosowania rozszerzają się. Pomimo tych ograniczeń technicznych, analiza zjawisk przy użyciu obliczeniowej dynamiki płynów ma tę zaletę, że znacznie obniża koszty w porównaniu z przeprowadzaniem eksperymentów.
Nasze otoczenie jest pełne płynów, a my żyjemy w płynach, więc w rzeczywistości wszystkie ruchome obiekty podlegają analizie dynamiki płynów. Oczywiście, ponieważ płyny się poruszają, nawet obiekty, które są nieruchome, podlegają analizie w tym przypadku. Dlatego istnieje wiele zjawisk do analizy w świecie widzianym przez inżynierów specjalizujących się w dynamice płynów.
Istnieje wiele tematów do analizy, ale wybierając jeden z nich i badając go dogłębnie, można stworzyć nową wartość.
Może stanowić podstawę dla technologii, które można zastosować w innych technologiach, a także może być wykorzystywana przez firmy do zarabiania pieniędzy. Kiedy analiza mechaniki płynów została zastosowana w sporcie, doprowadziła do tak niesamowitych ulepszeń wydajności, jak kostium kąpielowy „Laser Racer”, że ostatecznie został zakazany! W przemyśle motoryzacyjnym zmniejszenie oporu samochodu oszczędza paliwo! Oznacza to, że firma może osiągnąć większy zysk.
Oczywiście, mechanika płynów nie jest konieczna tylko do tworzenia wartości. Jak piłkarze kopią bananami? Jak baseballiści rzucają curveballami? Dlaczego skóra rekina jest szorstka? Patrząc przez pryzmat mechaniki płynów, świat jest pełen interesujących i osobliwych rzeczy. Mechanika płynów to proces badania i analizowania tych osobliwości w celu znalezienia odpowiedzi.
