Физика и лыжи. Исследовательская работа по физике

1.

МБОУ «Юндинская СОШ»
Исследовательская работа по физике
ФИЗИКА и ЛЫЖИ
Подготовила ученица 8 класса
Завалина Татьяна Николаевна
Руководитель учитель физики Касимова Р.М.
2023год.

2.

• 1. Введение
1.1 Проблема
1.2 Гипотеза
1.3 Цель
1.4 Задачи
1.5 Объект
• 2. Методика исследования
2.1 Наблюдение
2.2 Эксперимент
2.3 Математический расчет
• 3. Заключение
• 4. Список литературы
План:

3.

Введение
Наука – это спорт, гимнастика ума,
доставляющая мне удовольствие.
Альберт Эйнштейн
• Проблема
• В современном мире тема развития спорта и спортивных достижений очень актуальна. Но на пути к
высоким вершинам в любом виде спорта стоят преграды, вызванные, прежде всего, влиянием различных
физических явлений и закономерностей. Однако правильное использование соответствующих физических
законов может помочь спортсмену в достижении высоких результатов. Знание законов физики необходимо
спортсменам, тренерам, спортивным врачам и даже просто любителям массового спорта. Всем известно,
какую роль играет спорт в жизни человека, но далеко не все задумывались над вопросом, какова связь
между спортом и физикой, как развитие физической науки влияет на совершенствование спортивных
достижений. Для освоения спортивных вершин недостаточно лишь одной физической подготовки. Спорт
без науки и, в частности, без физики бессилен. Как всем известно, результаты в спорте, в том числе
лыжном, зависят от многих факторов. В первую очередь – это, конечно, физическая подготовленность
самого спортсмена. Но считается, что не менее значимыми факторами, определяющими спортивный
результат, являются: состояние, рельеф трассы, перепад высот, погодные условия, лыжный инвентарь и
качество его подготовки.
Гипотеза
• Влияют ли на спортивный результат лыжника внешние факторы: рельеф трассы, перепад высот, погодные
условия, лыжный инвентарь и качество его подготовки?

4.

Цель:
• Исследовать взаимосвязи науки физики с другими
науками и сторонами окружающего нас мира.
Задачи:
• На примере отдельно взятого вида спорта путём
наблюдения, экспериментов доказать взаимосвязь
физических явлений и спортивных достижений.
Объект
• Лыжный спорт и законы физики, влияющие на
него.

5.

Исследование
Силы, действующие на лыжника.
Техника передвижения на лыжах анализируется с помощью законов биомеханики. На
лыжника, который вместе с лыжами и палками представляет единую сложную
систему, действуют внешние силы. В то же время при движениях возникают и
внутренние силы. Они взаимодействуют, обеспечивая перемещение всей
биомеханической системы(это упрощенная модель тела человека, на которой можно
изучать закономерности движений). При взаимодействии с внешней средой возникают
и действуют на всю систему «лыжник - лыжи» силы: реакции опоры, сопротивления
воздуха и инерции, сила трения, сила тяжести.

6.

1. Сила трения
В физике существует понятие «трение скольжения». Этот термин был введен в науку М. В. Ломоносовым.
Благодаря трению человек передвигается, удерживает в руках различные предметы. При скольжении лыжника
по снегу он преодолевает трение, в результате расходуется энергия. Затраченная энергия преобразуется в
тепло, снег под лыжами подтаивает, становится скользким. Сила трения скольжения - это сила, возникающая
между соприкасающимися телами при их относительном движении, и равна максимальной силе трения покоя
Fтр = m·N
где — Коэффициент трения скольжения
N - Сила нормальной реакции опоры
При движении лыжи по снегу возникает сила трения как противодействие снега, приложенное к
лыже. При скольжении сила трения направлена по касательной в сторону, противоположную
относительной скорости. В нашем случае: при действии лыжи на снег по касательной к его
поверхности сила трения направлена по равнине вдоль лыжи .

7.

• Силу трения можно увеличить с помощью специальных насечек на лыжах.
Наличие этих насечек имеет значение при старте и при подъёмах.
Трение во многих случаях полезно и даже необходимо. Но иногда излишнее
трение бывает нежелательно и от него стараются избавиться. Это, в частности,
относится и к лыжам.
Силу трения можно уменьшить с помощью специальных мазей. Их выбор зависит
от температуры и состояния лыжни. Требуется найти такую мазь, которая крепко
держалась бы на скользящей поверхности лыж. Кроме того, эта мазь должна
увеличивать сцепление лыж со снегом в то время, когда спортсмен отталкивается
или подымается в гору. При правильном подборе мази коэффициент трения
удается снизить до 0,02—0,04.

8.

Изменение температуры воздуха оказывает значительное влияние на изменение величины
коэффициента трения. С понижением температуры он увеличивается.
Рассмотрим таблицу №1 «Изменение коэффициента трения в зависимости от температуры»
Таблица №1
Структура
снега
Коэффициент трения при температуре
0
-6
-10
-16
-20
-26
-30
-40
Пушистый
0,16
0,16
0,20
0,26
0,30
0,32
0,34
0,36
Метелевый
0,14
0,12
0,16
0,19
0,28
0,28
0,30
0,40
Зернистый
0,10
0,11
0,12
0,14
0,16
0,19
0,28
0,30

9.

Диаграмма №1
На графике эта зависимость будет выглядеть так:
Из данных диаграммы №1 видно, что при
понижении температуры от нуля до минус 40°
коэффициент трения увеличивается почти в три
раза. В результате наблюдений я заметила, что
глубина следа, оставляемая лыжами, бывает
разная. Она зависит от состояния снега. На
подмороженном снегу лыжи совсем не
проваливаются. А по 7 пушистому снегу
приходится двигаться, проваливаясь в снег. Также
я обратила внимание на то, что наилучшие условия
для движения лыж наблюдаются при температуре
от -3 до -10°С. Значит, коэффициент трения
скольжения зависит от плотности снега и
температуры воздуха.

10.

Рассмотрим таблицу №2 «Зависимость коэффициента трения снега от плотности и температуры»
Таблица №2
Плотность снега
В г/см3
Коэффициент трения μ
Температура в ° С
от +2 до -1
-4
от -16 до -30
0,1
0,18
0,1
0,14
0,3
0,09
0,07
0,08
0,5
0,04
0,025
0,033
0,55
0,03
0,015
0,021

11.

• 2. Сила тяжести.
• Сила тяжести тела лыжника направлена отвесно и
приложена к общему центру тяжести (ОЦТ).
Fтяж. тела лыжника на равнине прижимает лыжи
к снегу. (рис.4). На склонах она раскладывается
на составляющие: перпендикулярную к склону
PN (силу давления) и на параллельном склоне
(касательную) PQ (рис.5). Они меняют свою
величину с изменением крутизны склона. С
увеличением крутизны нормальная составляющая
уменьшается, а касательная увеличивается. Эта
зависимость выражается формулами: PN = P * cos
a PQ = P * sin a Из формул видно, что с
увеличением угла a, т. е. крутизны склона, сила
PN уменьшается, а сила PQ, параллельная склону,
увеличивается. (Смотри рисунки)

12.

• 3. Сила инерции.
• Силы инерции тел лыжника возникают при ускорении. Они бывают положительные - с
увеличением скорости, отрицательные - с её уменьшением, центробежные - с изменением
направления скорости. Величина силы равна произведению массы тела, имеющего ускорение, и
самого ускорения. Сила инерции направлена противоположно ускорению. Fин = ma В результате
наблюдения за результатами ходьбы по лыжной трассе, спусков с горы на лыжах я сделала
следующие выводы относительно сил инерции: 1. При отталкивании при ходьбе на лыжах и
прыжках с трамплина силы инерции увеличивают давление на снег, что улучшает сцепление лыжи
со снегом. 2. Маховые движения, направленные от опоры во время отталкивания при разгоне,
вызывают силы инерции, направленные к опоре. Они способствуют большему напряжению мышц
ноги и руки, выполняющих отталкивание, а также лучшему сцеплению лыжи со снегом. 3. Во время
ускоренного движения лыжника вниз силы инерции тела направлены вверх. Поэтому они
уменьшают действие веса тела на лыжи, тем самым уменьшая трение лыж по снегу. 4. Скольжение
лыжника при торможении при отрицательном ускорении (оно направлено назад) вызывает силы
инерции, направленные вперед. 5. Силы инерции при повороте лыжника направлены в сторону,
противоположную центростремительному ускорению. Они объясняют равновесие в положении
наклона, поддерживают тело в наклоне, в то время как сила тяжести направлена на его
опрокидывание внутрь дуги поворота.

13.

• 4. Реакция опоры.
• Как противодействие весу тела и силам инерции, приложенным к опоре,
имеются реакции опоры. Они равны силе действия на опору по величине
и противоположны по направлению. Статическая реакция опоры равна
статическому весу тела. Реакции опоры уравновешивают при
отталкивании те мышечные усилия, которые приложены к лыжам и к
палкам. На хорошо подготовленной лыжне ее поверхность противостоит
усилиям лыжника при отталкивании к лыже; поэтому лыжа не
проваливается в снег. То же происходит во время отталкивания лыжника
на трамплине. Если же снег на лыжне или трамплине не уплотнен, то
лыжи вдавливаются в снег, что отрицательно сказывается на
эффективности отталкивания.

14.

5. Сила сопротивления воздуха.
Сила сопротивления воздуха возникает при
относительном движении лыжника и воздуха.
Лыжник во время движения, встречает лобовое
сопротивление трения между его телом и воздухом.
При сильном попутном ветре, когда скорость воздуха
V1 выше, чем скорость лыжника V2, поток воздуха
служит уже не тормозящей, а движущей силой. При
движении на лыжах против ветра я ощущала
сопротивление воздуха (рис.6). При попутном ветре
скорость движения была выше и двигаться было
гораздо легче. Вредное влияние сил сопротивления
воздуха проявляется при движении лыжника против
потока воздуха. Здесь необходимы меры, снижающие
сопротивление воздуха. Так, если лыжник на спуске
сменит высокую стойку на низкую, лобовое
сопротивление уменьшится почти в 3 раза. Если
скорость попутного ветра равна скорости лыжника, то
сопротивление воздуха исчезает.

15.

• Динамика передвижения на лыжах.
• Передвигаясь по лыжне, лыжник отталкивается с помощью лыж и палок. На
него действуют те же силы, что и на бегуна, и, кроме того, сила трения
скольжения. Ее величина равна произведению коэффициента трения
скольжения на нормальную (перпендикулярную к лыжне) составляющую силы
давления лыжи на снег. Чем меньше коэффициент трения скольжения, тем
длиннее шаг и выше скорость при тех же энергозатратах. Величина
вертикальной составляющей силы отталкивания ногой колеблется в пределах
1100—1500 Н, а горизонтальной составляющей— 100—180 Н. Сила
отталкивания ногой мало различается в классических ходах (одновременном и
попеременном). В коньковых способах передвижения сила отталкивания ногой
составляет: под носким ботинком — 600 Н, под каблуком — 380 Н
(вертикальная составляющая), горизонтальная составляющая— около 200 Н.

16.

• Опрос учеников
• В школе я решила провести опрос 17(7-9классов) учеников с целью
узнать их мнение относительно влияния некоторых факторов на
результаты лыжных гонок. Было задано три вопроса. Ответы учеников – в
таблицах №4, №5, №6 и диаграммах №2, №3 и №4.
• Таблица №4
Вопрос 1
Влияет ли на качество скольжения лыж
правильная подборка лыжной мази?
Количество учеников
ДА
НЕТ
Затрудняюсь ответить
12
2
3

17.

• Диаграмма №2
Диаграмма №3
Как видим из диаграммы №2, большинство опрошенных (12 из 17) считают, что
использование лыжной мази, ее правильная подборка влияют на качество скольжения
лыж.
Таблица №5
Вопрос 2
Классическую
Какую технику передвижения на лыжах вы
считаете наилучшей: классическую или
коньковую?
7
Коньковую
Не имеет значения
6
Во 2 вопросе предпочтения опрошенных разделились почти поровну. 7 из 17 учеников
предпочитают классическую технику передвижения на лыжах, 6 – коньковую.
4

18.

• Таблица №6
Вопрос 3
от 0° до -3°
от -3° до -10°
Не имеет
значения
Как вы считаете, при какой
температуре воздуха лыжи лучше
скользят?
4
10
3
При ответе на 3 вопрос большинство опрошенных (10 из
17) подтвердили наилучшее скольжение лыж при
температуре от -3° до -10°.

19.

• Заключение
• Итак, мы исследовали взаимосвязь физики с другими сторонами жизни, в
данном случае спортом, а точнее, лыжным спортом. Путём наблюдения,
экспериментов и математического расчёта мы выяснили, какие силы
действуют на лыжника, как можно воздействовать на эти силы, как они могут
помочь или препятствовать спортивным достижениям. Была подтверждена
гипотеза, что такие факторы, как состояние, рельеф трассы, перепад высот,
погодные условия, лыжный инвентарь и качество его подготовки влияют на
спортивный результат лыжника.

20.

• Список используемой литературы:
• 1) А.А.Пинский, О.Ф.Кабардин. Физика 10 класс, учебник для
общеобразовательных организаций, углубленный уровень, 3 – е издание. –
2018. – 415 с. 2) Аленицын А.Г., Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Краткий
физико-математический справочник. – 2005. -544 с. 3) Жданов Л.С.,
Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений. – 5-е
издание. – 1987. – 512с. 4) Суорц Кл. Э. Необыкновенная физика
обыкновенных явлений: Пер. с англ.: В 2-х т. Т. 1. – 1986. – 400с. 5)
Шаскольская М.П., Эльцин Э.А. Элементарный учебник физики: В 3-х
т./Под ред. Г.С. Ландсберга. – 2001. Т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная
физика. – 10-е изд. – 1985. – 544с. 6) Журнал для учеников и учителей
Потенциал. – 2005 7) Володин В. Энциклопедия для детей М.: Аванта +. –
2001

21.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!