Jak biegać, żeby się nie zmęczyć?

Transkrypt

1 Jak biegać, żeby się nie zmęczyć? Festiwal Nauki, 25 września 2011 Krzysztof Pawłowski Centrum Fizyki Teoretycznej PAN

2 PLAN Różnica między chodzeniem, a bieganiem Zmiany energii w bieganiu Istotne siły podczas biegania: -sprężystość -opór powietrza Postawy podczas biegania

3 Jak nie uciekać? Stalker Birk Rohelend Oraz birkrohelend.com

4 Wykres moc bieganie/chód Punkt przecięcia: Prędkość 2,3 m/s koszt organizmu ok. 690W zmęczenie prędkość R. Margaria et al., J. Appl. Physiol. 18 (1963)

5 Optymalna strategia? Marszobieg: Prędkość 2,3m/s kosztem zaledwie 640 W. [1]

6 Prawa mechaniki Każde ciało trwa w swym stanie spoczynku lub ruchu prostoliniowego jednostajnego, jeżeli siły przyłożone nie zmuszą ciała do zmiany tego stanu. (sir Isaak Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, edycja z 1726) V satelita V Ziemia

7 Co czuje pilot w satelicie? II zasada dynamiki F = m a

8 Jak chodzimy? Przepisy chodu sportowego: zawsze jedna ze stóp musi dotykać podłoża

9 Siły podczas chodzenia Środek ciężkości porusza się po okręgu!

10 Maksymalnie szybki chód? Chód = zawsze jedna ze stóp musi dotykać podłoża s. odśrodkowa < s. ciężkości dla l=0.9m >10,8km/h 5:33/km

11 chód sportowy Średnie prędkości (na 5km): wynik R. Korzeniowskiego 4,55m/s >16km/h 3:40/km Paquillo Fernández

12 spacer, a chód sportowy

13 Spadek swobodny h Związek czasu spadania z odległością z jakiej ciało spadło: h = t = 1 gt 2 2 2h g Galileusz Równoważnie: 10 m/s 2

14 Lepsze obliczenie prędkości chodu. Czas wykonania kroku = czas wznoszenia się + czas opadania Założenie (ad hoc) czas opadania = czas swobodnego spadku h = 5cm L=0.9m V = 4,5 max m s

15 Czemu się męczymy?..bo musimy dźwigać nasze ciało Zmiana energii potencjalnej podczas kroku = m g h Wykorzystana na m. in: Energię kinetyczną Tracona na m. in: ciepło wydzielane do otoczenia

16 Duże nie zawsze lepsze Michael Phelps, pływanie 193cm 84kg Rozmiar stopy 47,5 Usain Bolt, sprinty 196 cm 88kg Kenenisa Bekele, 10km 160 cm 54kg

17 Energia kinetyczna A B C clipart ze strony: Energia kinetyczna A B C czas

18 Energia tracona na: - energię cieplną - energia fali akustycznej -ściśnięcie mięśni i ścięgien biegacza (ich energie sprężystości) Najbardziej efektywna sprężyna w naszym ciele - ścięgno Achillesa Energia kinetyczna A B C czas Straty energii

19 Na każdą akcję jest reakcja.. III zasada dynamiki Oddziaływania ciał są zawsze wzajemne. Powierzchnia odpycha nogę biegacza Zmiana energii ( praca ) = siła * przesunięcie. Twarda powierzchnia Biegacz wciska powierzchnie Duże przeciążenie małe przesunięcie Problem z achillesem

20 Bieżnia + buty Optymalizacja Możliwy szybszy bieg (ale łatwo o kontuzje) tartan Nawierzchnia bezpieczna dla nóg (kosztem szybkości ) Leśne ścieżki

21 Analiza sprężystości bieżni T. McMahon, P. Greene J. Biomechanics 12, (1979) 893 Harvard University 1977 najszybsza bieżnia na świecie 'Fast Running Tracks,' Scientific American, 239,(1978) 148

22 Optymalizcja

23 Nowa technika biegania? April 3 issue of Nature 2003

24 Siła oporu powietrza Opór powietrza Opór powietrza przy dużych prędkościach Siła ciężkości Prędkość spadania ok. 190 km/k Prędkość zjazdu w specjalnym kombinezonie: 251km/h

25 Opór powietrza w biegach Prędkość sprintera ok. 10m/s Prędkość maratończyka ok. 5m/s Maratończyk biegnący z prędkością 5m/s + wiatr z naprzeciwka 10m/s Opór powietrza 4 razy większy u sprinterów niż długodystansowców Dodatkowy wiatr powoduje 9-krotny wzrost siły oporu powietrza Finał 800m Igrzyska Olimpijskie, Atlanta 1996 Zwycięstwo: Vebjørn Rodal

26 Wpływ różnych czynników na opór Długie włosy powietrza Luźny strój Łysy, nagi biegacz Specjalny strój Zysk czasowy podczas maratonu = ok. 6s Kyle & Caiozzo(Medicine and Science in Sports and Exercise 18: , 1986)

27 Zła postawa

28 Wymachy boczne

29 Granica ludzkich możliwości?

30 Rekordy na 100m do 1990roku

31 Rekordy na 100m do 1990roku

32 Rekordy 100 m

33 Modele matematyczne J. B. Keller, Optimal velocity in a race, Amer. Math. Monthly, 81 (1974), pp. 474

34 Mistrzostwa Europy, Barcelona 2010, bieg na 800m

35 Literatura [1] Fizyka sportu Krzysztof Ernst The Physics of sports, Angelo Armenti [2] (ang) [3] y.shtml [4] C.J. Pennycuick, Newton Rules Biology (Oxford U. Press, Oxford, 1992)

36 Podziękowania: Trenerom i zawodnikom AZS UW sekcji lekkiej atletyki MichałowiBernardelliza konsultacje przez prezentacją Dziękuję za uwagę