W tym wpisie na blogu przyjrzymy się, w jaki sposób termodynamika, dynamika, mechanika ciał stałych i mechanika płynów są stosowane w sporcie, w kontekście zimowych wydarzeń olimpijskich.
20 lutego 2022 r. zakończyły się Igrzyska Olimpijskie w Pekinie w Chinach. Pot i łzy wielu sportowców poruszyły niezliczoną liczbę osób. Istnieje wiele powodów, dla których ludzie są poruszeni Igrzyskami Olimpijskimi. Emocjonująca rywalizacja, indywidualne wysiłki i wyzwania przekraczające własne granice to tylko niektóre z wielu dramatycznych elementów Igrzysk Olimpijskich, które przyciągają uwagę ludzi na całym świecie. Inżynierowie mogą znaleźć jeszcze więcej inspiracji w sporcie. Poprzez analizę inżynierską zbadamy, w jaki sposób sportowcy efektywnie wykorzystują prawa fizyki i w jaki sposób technologie inżynieryjne pomagają im konkurować, wykorzystując cztery podstawowe zasady inżynierii mechanicznej.
Pierwsza z czterech podstawowych mechanik, termodynamika, to nauka badająca związek między energią a ruchem. W szczególności traktuje ciepło jako formę energii i rozumie, jak odnosi się ono do ruchu. Większość zimowych wydarzeń olimpijskich odbywa się na lodzie w łyżwach, a zasady jazdy na łyżwach można wyjaśnić za pomocą termodynamiki. Podczas noszenia wąskich łyżew na lodzie, do lodu pod ostrzami łyżew przykładane jest wysokie ciśnienie. To ciśnienie powoduje zmianę temperatury topnienia i nawet w temperaturach poniżej zera wytworzone ciepło jest wystarczające, aby stopić lód. Poprzez tę zmianę stanu spowodowaną energią, lód pod ostrzami łyżew zamienia się w wodę, co umożliwia ślizganie się łyżew.
Dynamika to nauka o ruchu obiektów oparta na mechanice Newtona, w tym o siłach działających na obiekty oraz o kierunku i obrocie obiektów. Curling jest najbardziej reprezentatywnym przykładem tego. Curling to sport, w którym granitowe kamienie ważące około 20 kg, zwane „kamieniami”, są przesuwane po lodowisku i umieszczane w wyznaczonym miejscu docelowym. W rywalizacji z drużyną przeciwną gracze mogą opracowywać strategie, takie jak odpychanie kamieni przeciwnika od celu lub blokowanie mu drogi, a wszystkie te procesy można wyjaśnić za pomocą dynamiki. Curling dzieli się ogólnie na dwa rodzaje ruchów: podanie, w którym kamień jest popychany do przodu, i zamiatanie, w którym kamień jest muskany przed nim. W podaniu dokładność zależy od postawy używanej do dostosowania obrotu i kierunku kamienia, co umożliwia uniknięcie lub zderzenie z kamieniem przeciwnika. Zamiatanie kontroluje również tarcie i obrót oczekiwanej ścieżki kamienia, umożliwiając idealne zderzenia między kamieniami.
Mechanika brył to nauka badająca, jak kształt obiektu zmienia się pod wpływem sił zewnętrznych. Typowym przykładem jest szkielet. Szkielet jest oficjalną konkurencją saneczkarską Zimowych Igrzysk Olimpijskich, obok bobsleja i saneczkarstwa, w której jedna osoba leży twarzą w dół na saniach i zjeżdża po torze. W przeciwieństwie do innych konkurencji ryzyko kontuzji jest niezwykle wysokie i przez długi czas nie było to oficjalne wydarzenie, ale ostatecznie zostało przyjęte jako oficjalne wydarzenie na Olimpiadzie w Salt Lake City w 2002 roku. Ze względu na naturę szkieletu siła jest często skoncentrowana na przedniej połowie sań, co zwiększa ryzyko uszkodzenia zmęczeniowego. Zmęczenie odnosi się do wzrostu zmęczenia materiału z powodu powtarzających się uderzeń, co ostatecznie powoduje, że materiał pęka nawet przy niskich siłach uderzenia. Aby zminimalizować ryzyko zmęczenia, zderzak jest zaprojektowany tak, aby wgniatać się i pochłaniać jak najwięcej energii uderzenia. Jest to wspólne dla wszystkich innych wydarzeń saneczkarskich, a wgniecenia minimalizują uderzenie w jeźdźca.
Dynamika płynów to nauka o ruchu płynów, takich jak ciecze i gazy. Stroje łyżwiarzy szybkich słyną z braku szwów. Ma to na celu zminimalizowanie oporu powietrza i poprawę czasów. Ponadto stroje są zaprojektowane tak, aby łyżwiarzom było łatwo pochylać głowy do przodu, aby zminimalizować opór powietrza.
Wszystkie te przykłady pokazują, jak dynamika płynów wpływa na sport. Dzięki podstawowej znajomości tych zasad będziesz mógł cieszyć się igrzyskami olimpijskimi jeszcze bardziej. Nie tylko na zimowych igrzyskach olimpijskich, ale także w wielu innych sportach, techniki naukowe są włączane do nauki o sporcie i mechaniki sportowej. Jeśli jesteś fanem sportu, dlaczego nie zajrzeć do fascynującego świata inżynierii mechanicznej?
