Fizyka w sporcie Aerodynamika

Transkrypt

1 Sławomir Kulesza Symulacje komputerowe (07) Fizyka w sporcie Aerodynamika Wykład dla studentów Informatyki Ostatnia zmiana: 26 marca 2015 (ver. 5.1)

2 Po co nauka w sporcie? Przesuwanie granicy wyczynu analiza zachowania ciał w ośrodkach pozwala przesunąć granicę osiągnięć sportowych. Eliminacja losowości postęp w sporcie wyczynowym zmniejsza szansę przypadkowego zwycięstwa. Umasowienie sportu nowe technologie w sporcie zwiększają jego dostępność. Zmniejszenie urazowości minimalizacja szkód zdrowotnych spowodowanych wyczynowym uprawianiem sportu.

3 Fizyka w sporcie Kinematyka opis ciał w ruchu. Mechanika ruch i wzajemne oddziaływania między ciałami (zderzenia, więzy). Hydro-/aerodynamika siły działające na ciała w ruchu. Inżynieria materiałowa nowe materiały.

4 Kinematyka y stara trajektoria Vold F/m F Vnew rold nowa trajektoria rnew x

5 II zasada dynamiki Newtona (ruchu postępowego) Przyspieszenie = Siła / Masa skutek = przyczyna / bezwładność

6 Hydro-/aerodynamika Nauka o siłach działających na ciała poruszające się względem ośrodka (gazu lub cieczy płynu). Zasadniczo działają siły: oporu i noszenia

7 Opór vs. noszenie

8 Opór ośrodka Opór ośrodka wpływa na trajektorię oraz bilans energetyczny ruchu ciała: Opór laminarny tarcie międzycząsteczkowe Opór turbulentny - niejednorodności

9 Opór turbulentny 1 2 F drag = C x d p S V 2

10 Liczba Reynoldsa (Re) Bezwymiarowy parametr opisujący typ przepływu: Vd R e= ν

11 Warstwa przyścienna

12 Warstwa przyścienna

13 Strefa przejścia

14 Punkt oderwania strugi

15 Kopiemy jak Roberto Carlos Celem jest nadanie piłce jak największej prędkości oraz dodatkowej siły nośnej, która zdestabilizuje typową trajektorię balistyczną.

16 Piłki do futbolu

17 Teamgeist vs. Jabulani

18 Siła oporu

19 Siła Magnusa Ruch obrotowy piłki zmienia lokalnie jej prędkość względem płynu; warkocz ulega zakrzywieniu.

20 Siła Magnusa

21 Siła Magnusa

22 Siła oporu vs. siła Magnusa (na przykładzie tenisa stołowego)

23 Siła Magnusa

24 Najsłynniejsza bramka Roberto Carlosa

25 Współczynnik oporu

26 Współczynnik oporu

27 Współczynnik oporu

28 Współczynnik oporu

29 Współczynnik oporu

30 Chropowatość vs. szerokość warkocza

31 Siła nośna vs. siła oporu

32 Siła nośna

33 Niejednorodności powierzchni

34 Knuckleball Piłka poruszająca się po trajektorii niestabilnej, zmieniającej się w trakcie lotu bardzo trudna do odczytania przez obrońcę/bramkarza itp.

35 Knuckleball

36 Knuckleball

37 Knuckleball

38 Knuckleball

39 Mikasa MVA200 Mała liczba paneli, wysoka symetria i gładkość (pewność odbicia), wgłębienia dla zmniejszenia Cx (brak szwów i nierówności).

40 Badanie opływu piłki do siatkówki Opis problemu: Kanał: 2.2 (L), 0.4 (H), 0.05 (średnica kuli) Wlot: profil paraboliczny, Vmax = 1.5 przy lewej krawędzi Wylot: "do nothing" Brzeg kuli: prędkość styczna: 0, 0.1, 1, 5 Pozostałe warunki brzegowe: V = 0 na ściankach Warunki początkowe dla t=0: rozwinięte turbulencje Lepkość: 1/nu=50,000 Software: FEATFLOW

41 Siatka do symulacji (FEM)

42 Stabilność trajektorii piłki do siatkówki

43 Stabilność trajektorii piłki do siatkówki

44 Propozycja projektu Oszacować, która wersja zagrywki w siatkówce (stacjonarna vs. z wyskoku) daje zagrywającemu większe szanse trafienia w boisko.

45 Symulacja rzutu A. Siódmiaka Końcówka ćwierćfinałowego meczu PolskaNorwegia na Mistrzostwach Świata w Chorwacji (2009).

46 Parametry modelu Parametry piłki: Masa 0.45 kg Średnica 0.19 m Obwód m Siła grawitacji i oporu powietrza (turbulentny) Brak rotacji

47 Geometria problemu Rzut na wprost z linii 9 m w kierunku bramki przeciwnika Dystans: 31 m Wymiary bramki: 3x2 m2

48 Założenia modelu Wykonujemy serię rzutów na ślepo, sprawdzając, ile z nich dotrze do celu Rzut jest trafiony, gdy piłka wpadnie bezpośrednio do bramki lub uderzy w pole bramkowe na drodze do bramki Prawdopodobieństwo trafienia jest równe stosunkowi liczby trafień do liczby wykonanych rzutów.

49 Wyniki symulacji

50 Propozycja projektu Oszacować szanse zdobycia gola strzałem zza połowy boiska (Kuszczak vs. Martinez, Senna i in.)