Физика полета на лыжах

В XXI веке передовые технологии стали играть огромную роль в спорте высоких достижений. Новейшие материалы для костюмов и инвентаря, точнейшие хронометры, позволяющие зафиксировать разницу между спортсменами в сотые доли секунды, и прочие технологии применяются сейчас практически в каждом виде спорта. На фото — словенский спортсмен Петер Превц, чемпион мира по полетам на лыжах 2016 года. Сравните его экипировку с одеждой югославского прыгуна с трамплина середины прошлого века Миро Омана (Miro Oman).

Югославский спортсмен Миро Оман, 7 февраля 1958 года. Он использует технику прыжка, разработанную в 1949 году немецким прыгуном с трамплина Эрихом Виндишем (см. Windisch technique). Фото с сайта en.wikipedia.org

Прыжки на лыжах с трамплина, возможно, представляют собой уникальную модель взаимоотношений спортсмена и законов физики. Человек летит! Пусть лишь несколько секунд и всего на 253,5 метра — именно таким был последний мировой рекорд, установленный 18 марта 2017 года австрийским прыгуном с трамплина Штефаном Крафтом (см. видео внизу). Формально, конечно, это скорее затяжное падение, однако прыжки с самых больших трамплинов выделяют в отдельный вид спорта, который так и называется — полеты на лыжах, а нахождение в воздухе при прыжке называют «фазой полета». Поскольку спортсмен пролетает через толщу воздуха, для совершения хорошего прыжка важно понимание аэродинамики. Хотя сами спортсмены, по словам члена сборной России Евгения Климова, во время прыжка скорее «чувствуют» потоки воздуха, чем задумываются о них.

Окончательные баллы спортсмена за попытку складываются из дальности прыжка, оценок судей за технику приземления и поправок, в том числе на ветер. Желая удачи прыгуну с трамплина, ни в коем случае не желайте ему попутного ветра! Кажется логичным, что попутный ветер позволяет совершить более далекий прыжок, но на самом деле это не так. Он помогает продвигаться вперед парусникам, а прыгун в фазе полета с точки зрения физики похож скорее на крыло самолета. Держаться в воздухе ему позволяет подъемная сила, которая создается за счет разности давлений воздушных потоков над и под находящимся в воздухе объектом — давление снизу должно быть выше, чем давление сверху (см. плакат Покорение воздуха, в частности описание принципа полета самолета).

Как создать подъемную силу? Как известно, перед взлетом самолет разгоняется. Он не может просто так, без хорошего разгона, подняться в небо (если, конечно, не оборудован системой вертикального взлета). Когда самолет разгоняется, растет скорость встречного потока воздуха, за счет которого и создается нужная для взлета разность давлений над и под крылом. Также имеет значение угол атаки: чем он больше, тем больше может быть подъемная сила. Однако здесь важно не переборщить: слишком большой угол атаки провоцирует срыв воздушного потока за летящим объектом. Этот поток становится турбулентным, что мешает лететь.

Схема движения крыла в потоке воздуха. Y — вектор подъемной силы, X — вектор лобового сопротивления, R — их результирующая векторная сумма, α — угол атаки

Итак, сочетание достаточного угла атаки и встречного потока, движущегося относительно крыла с большой скоростью, и дает разность давлений, за счет которой возникает подъемная сила. На самых больших трамплинах в нижней точке разгона (это место, где спортсмен взмывает в воздух, называется «столом отрыва», см. схему ниже) прыгуны могут достигать скорости около 100 км/ч. Встречный поток воздуха подхватывает спортсмена и позволяет ему лететь. Дополнительные порывы встречного ветра в этом случае могут помочь прыгуну дольше продержаться в воздухе и улететь дальше, а вот попутный ветер, напротив, может «прибить» атлета к земле, и дальность его полета будет меньше, чем при прочих равных условиях была бы в абсолютно безветренную погоду. Все эти нюансы учитываются судьями при выставлении оценок за каждый конкретный прыжок: при попутном ветре баллы добавляются, а при встречном, наоборот, вычитаются.

Крыло самолета можно рассчитать и изготовить в соответствии с требуемыми аэродинамическими характеристиками, а вот человеческое тело не рассчитаешь. Остается принять в воздухе положение, которое обеспечит наиболее далекий прыжок. До конца 1980-х спортсмены при прыжке держали лыжи параллельно перед собой. В 1986 году шведский спортсмен Ян Боклёв заметил, что можно улететь гораздо дальше, если развести в полете лыжи в форме буквы «V». Такое положение тела обеспечивает большую поверхность соприкосновения с встречным потоком и более аэродинамически выгодно. Поначалу такая техника считалась нарушением правил, и судьи снижали баллы спортсменам, которые пользовались ею на соревнованиях. На сегодняшний день правила поменялись, и эта техника, получившая название «V-стиль» (см. V-style), стала общепринятой. Хотя примерно в одно время с Боклёвом и некоторые другие спортсмены прибегали к такой технике, именно он считается изобретателем «V-стиля». Сейчас некоторые спортсмены используют еще более новый «Н-стиль» (см. H-style). Такой стиль называют также «агрессивным». Прыгун практически «ложится» в одну плоскость с широко разведенными лыжами, и это правилами тоже разрешено. А вот в отношении костюмов всё строго. Слишком свободный костюм создает дополнительную парусность — доходило до смешного: в начале 2000-х некоторые прыгуны стали использовать настолько мешковатые костюмы, что их прозвали белками-летягами. Поэтому, чтобы все соревновались в равных условиях, были введены ограничения на парусность костюмов: костюм должен плотно прилегать к телу и может отстоять от него не более чем на 2%. В случае обнаружения нарушения этого правила спортсмена дисквалифицируют.

Прыжки на лыжах с трамплина обладают еще одной особенностью, которая связана с физикой и подчас нарушает спортивный принцип «все должны соревноваться в равных условиях». Зачастую соревнования проводятся вечером. Когда становится совсем темно, приходится включать искусственное освещение, и в этот момент и в какое-то время после него могут возникнуть проблемы. Дело в том, что для освещения используются довольно мощные прожекторы. Они нагревают воздух вокруг себя, в связи с чем возникают конвективные потоки, и ветровая обстановка на трамплине на некоторое время становится совершенно непредсказуемой.

Петер Превц прыгает при включенных прожекторах. Это не помешало ему установить мировой рекорд дальности (250 м), который продержался один день, пока его не побил норвежский прыгун Андерс Фаннемель (251,5 м). 14 февраля 2015 года, трамплин Викерсундбаккен. Фото с сайта independent.co.uk

Трамплин как инженерное сооружение заслуживает отдельного рассказа. Он состоит из горы разгона, на конце которой расположен стол отрыва, горы приземления и площадки остановки (см. схему). В конце горы приземления, как правило, предусмотрен контруклон для торможения. Стол отрыва наклонен под углом около 10 градусов к горизонтали (угол может немного варьировать в зависимости от конструкции конкретного трамплина). Основными характеристиками трамплина являются точки Hill Size (HS) и K-точка (K). Hill Size — это так называемая «мощность трамплина», дальность прыжка, на которую он рассчитан; до этой точки долетают сильнейшие лыжники. В K-точке выпуклая часть склона переходит в вогнутую; до K-точки спортсмену нужно долететь, чтобы получить базовые баллы, к которым прибавляются оценки за технику приземления, дальность прыжка и поправки на ветер.

Устройство лыжного трамплина. Схема c сайта ru.wikipedia.org

Трамплины по размеру (мощности) делятся на маленькие (HS < 49 м), средние (HS от 50 до 84 м), нормальные (HS от 85 до 109 м), большие (HS от 110 м) и полетные (HS от 185 м). При благоприятных условиях вполне можно «перепрыгнуть» точку HS. Мировой рекорд составляет 253,5 метра, а установлен был на трамплине HS-225, то есть спортсмен приземлился практически в том месте, где начинается контруклон. Это достаточно опасно, поэтому трамплины рассчитываются таким образом, чтобы при встречном ветре спортсмены, даже самые сильные, не улетали слишком далеко.

На некоторых трамплинах, особенно на полетных, устанавливается ветрозащита. Специальная сеть огораживает верхнюю часть горы приземления — то место, над которым спортсмен уходит со стола отрыва и где происходит начало фазы полета. Ветрозащита нужна, чтобы погасить боковой ветер, который может быть гораздо опаснее, чем сильный встречный, уносящий слишком далеко. Боковой ветер способен вынести прыгуна за пределы горы приземления или опрокинуть в воздухе. Во избежание серьезных травм судьи пристально следят за ветровой обстановкой на всем трамплине, а в случае сильных порывов могут отложить или вовсе отменить соревнования.

Полетный трамплин Полетный трамплин им. братьев Горишек (Letalnica bratov Gorišek), HS-225, в Планице (Словения). Сетка, натянутая вдоль верхней части горы приземления, — ветрозащитные сооружения. Фото с сайта skisprungschanzen.com

Источники:
1) Standards for the Construction of Jumping Hills — 2012.
2) Личная беседа с вице-президентом Федерации по прыжкам на лыжах с трамплина и лыжному двоеборью «Прикамье» Леонидом Вологжаниным и членом сборной России по прыжкам на лыжах с трамплина Евгением Климовым.
3) А также личный опыт просмотра соревнований.

Фото © Heinz-Peter Bader/Reuters с сайта novice.najdi.si.

Анастасия Стебалина