Мастер-класс "Физика и спорт, или Как применять знания физики в спорте"

Цель: выяснить, как правильное использование соответствующих физических законов может помочь спортсмену в достижении успеха.

Презентация.

Статья из “Марийской правды”.

- А в спорте помогает физика? (Развитие науки влияет на совершенствование спортивных достижений).

Спорт без науки и, в частности, без физики бессилен.

Докажем эту мысль на примерах.

- Какими видами спорта занимаются наши учащиеся в школе? (Лыжи, лёгкая атлетика, футбол, баскетбол и т.д.)

Физическая основа бега на лыжах.

Рассмотрим, например, лыжный спорт.

- Что нужно спортсмену, чтобы добиться хороших результатов? (Подходящие физические данные, выносливость, экипировка, умение применять вовремя гонки различные техники катания. Не только идеально ими владеть, но и знать в какой ситуации их применять.)

Для того, чтобы спортсмены показывали наилучшие результаты в лыжных видах спорта необходимо учитывать сопротивление воздуха и силы трения. Когда лыжи хорошо скользят то говорят, что они идут ходко, как по маслу.

- Что имеют в виду спортсмены?

- А что имеют в виду физики?

Сила трения скольжения маленькая. И лыжи легко скользят. Сила трения скольжения это сила возникающая между соприкасающимися телами при относительном движении. Опытным путём установлено, что сила трения зависит от силы реакции опоры, от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения.

- Как добиваются хорошего скольжения спортсмены? (Уменьшают силу трения).

Силу трения скольжения можно уменьшить во много раз с помощью смазки.Лыжи сами создают для себя смазку. Когда мы скользим на них по снегу, то преодолеваем трение, а на это требуется затратить энергию. Энергия, затраченная на преодоление силы трения, преобразуется в тепло.Тепло, выделяемое при трении, способствует образованию тончайшей пленки воды. Снег под лыжами слегка подтаивает, тем самым вода создает смазку уменьшая силу трения.

- Для чего еще применяют лыжные мази?

Лыжные мази бывают двух типов: мази скольжения (парафины) и мази держания. Мази скольжения нужны для улучшения возможности скольжения лыж и для увеличения скорости движения. При выборе мази обязательно учитывают температуру воздуха. Мази держания должны увеличивать сцепление лыж со снегом в то время, когда спортсмен отталкивается или поднимается в гору. Спортсмены в содружестве с учеными научились создавать специальные лыжные мази. В настоящее время существует огромное количество лыжных мазей и их применение – это целая наука.

- А существует ли особые правила смазки лыж?

Для классического бега мазью скольжения мажут только переднюю и заднюю часть лыжи. Лыжи, предназначенные для конькового хода, покрываются парафинами по всей скользящей поверхности. Мазь держания (сцепления) предотвращает отдачу и дает возможность сделать толчок. Именно поэтому мазь наносится на толчковую зону.

Скользящая поверхность современных лыж делается с небольшими углублениями. Это исключает прилипание пленки воды, на которой движутся лыжи. Наконец, смазка - химическое покрытие лыж - сочетание науки и опыта, дающее спортсмену магическую возможность идеально скользить по поверхности снега.

Вывод: для того, чтобы стать чемпионом в лыжном спорте, попасть на Олимпийские игры и получить шанс стать лучшим в мире нужна:

• Огромная выносливость;
• Упорные тренировки;
• Лучшая экипировка;
• Знать и умело применять физические законы и достижения физической науки;

- Теперь давайте попробуем раскрыть секрет популярности коньков среди детей? (Скроется в их чудесной способности скользить по льду.)

Катание на коньках относится к такому уникальному виду двигательной активности, который одновременно является и спортом, и прекрасным отдыхом.

- Почему коньки скользят на льду?

Когда мы стоим в острых коньках на льду, вес нашего тела распределяется по небольшой площади, которую занимают острия коньков. Поэтому мы оказываем на лед сравнительно большое давление. Лед под лезвиями плавится, между ними и льдом образуется тоненькая пленка воды, действующая как смазка. Пленка воды тоньше папиросной бумаги, но без нее не было бы скольжения. Это значительно снижает трение, что позволяет нам легко бегать на коньках.

Чтобы лед таял, недостаточно увеличить давление, нужна еще и дополнительная тепловая энергия. Согласно теории скольжения при движении конькобежца по льду возникают силы трения. Механическая энергия сил трения переходит во внутреннюю энергию льда. Именно за счет повышения внутренней энергии лед в точках соприкосновения с коньком расплавляется, образуется пленка воды, выполняющая роль смазки и облегчающая скольжение.

Физика бега.

Одно из важнейших мест в физическом воспитании учащихся в школе принадлежит бегу.

- Что важно в спринтерском беге? (Стартовый разгон.)

Низкий старт позволяет придать бегуну необходимое ускорение, разогнаться на первых метрах до предельно возможной скорости. Главное - правильно и энергично оттолкнуться под острым углом к беговой дорожке и максимально быстро выполнять движения руками и ногами при выходе со старта.

Стартовый разгон - это участок дистанции, на котором происходит нарастание скорости бега от нуля до максимальной. Во время стартового разгона бегун движется ускоренно. В это время по второму закону Ньютона на него действует сила прямо пропорциональная ускорению и массе тела. Эта сила мешает бегуну набрать наибольшую скорость.

- Как преодолевает эту силу бегун?

Чтобы преодолеть эту силу бегун наклоняет тело вперед. Выводит центр тяжести тела за площадь опоры и облегчает продвижение вперед, происходит наибольшее увеличение скорости. Центр тяжести тела человека находится в нижней части живота.

- Как удержать равновесие?

При наклоне человек не падает до тех пор пока вертикальная линия из центра тяжести проходит через площадь ограниченную его ступнями. Чтобы удержать равновесие на первых шагах старта бегун ставит ноги по двум линиям.

Наиболее оптимальным для школьной практики является такой способ установки стартовых колодок, когда передняя колодка для сильнейшей (толчковой) ноги устанавливается на расстоянии 1,5 стопы от линии старта, а задняя – на расстоянии 1–1,5 стопы от передней (или на расстоянии длины голени от передней колодки). Опорная площадка передней колодки наклонена под углом 45–60°, задняя – под углом 60–80°. Расстояние между колодками по ширине обычно равно длине ступни. В стартовом разгоне туловище бегуна принимает постепенно вертикальное положение, длина шагов возрастает, и к концу разгона становится постоянным. Первый шаг не следует делать большим, он должен быть 4-5 ступней от линии старта. По мере нарастания скорости и удлинения шагов бегун плавно уменьшает наклон туловища. Длина шага на дистанции постоянна 8-9 ступней бегуна.

- Как правильный выбор тактики бега помогает спортсмену победить на соревнованиях?

Забег на 800 метров. Два примерно равных по силам спортсмена Шмыков и Быков используют разную тактику борьбы за первое место. Шмыков первую половину дистанции бежит со скоростью v₁ = 11 км/ч, а вторую со скоростью

v₂ = 15 км/ч. Быковизбрал другую тактику, он половину времени бежит со скоростью 11 км/ч, а вторую половину времени - 15 км/ч. Кто из них победит в забеге и с каким отрывом?

(Шмыков за 3,8 мин, Быков за 3,7 мин. Шмыков из точных наук изучал только бег и в результате проиграл, отстав от победителя на 0,1 мин примерно 6 сек.)

Ответ. Быков опередил Шмыкова на 6 секунд.

Вывод:

В беге на короткие дистанции добиваются успеха спортсмены, которые владеют:

• Отличной координацией и высокими скоростными способностями;
• Хорошо владеют техникой бега;
• Умеют правильно выбрать тактику бега;

Футбол глазами физика.

Футбол – одна из наиболее популярных спортивных игр на нашей планете. Среди ученых больше других увлекались этой игрой физики. Достаточно упомянуть таких корифеев науки, как англичанин Э. Резерфорд (отец ядерной физики), датчанин Н. Бор (в свое время он был даже запасным вратарем сборной Дании по футболу) Все они – нобелевские лауреаты.

- Почему среди ученых футбол больше всего привлекал внимание физиков?

Прежде всего, потому, что для этой игры нужно иметь высокую быстроту реакции и мышления.

- Можно ли попасть с углового в девятку?

Этот удар в футболе называется “сухой лист”. “Сухой лист” - это навесной удар с вращением мяча и с искривлением траектории мяча движения в горизонтальной или вертикальной плоскости в результате вращения.

Чтобы выполнить этот удар нужно бить не в центр мяча, а сбоку. При этом мяч закручивается, и за счёт разницы давлений мяч будет лететь вверх и вбок.

- А как называется это явление в физике?

Это явление, названо в честь немецкого физика Генриха Густава Магнуса – эффект Магнуса. Суть его в том, что при движении вращающегося тела в потоке воздуха скорость движения среды с одной стороны тела увеличивается, с другой стороны – уменьшается. Разность скоростей приводит к разности давлений (P₁ – P₂) и, в возникновении перпендикулярной силе Магнуса F_м, действующей на вращающееся тело.Вращающийся объект создаёт в среде вокруг себя вихревое движение. С одной стороны объекта направление вихря совпадает с направлением обтекающего потока и, соответственно, скорость движения среды с этой стороны увеличивается. С другой стороны объекта направление вихря противоположно направлению движения потока, и скорость движения среды уменьшается. Ввиду этой разности скоростей возникает разность давлений, порождающая поперечную силу от той стороны вращающегося тела, на которой направление вращения и направление потока противоположны, к той стороне, на которой эти направления совпадают. Подъемная сила тянет мяч вверх и вбок, что вызывает эффект Магнуса.

Можно рассчитать силы, действующие вовремя хорошо выполненного штрафного удара. Предположим, что скорость мяча составляет 25-30 м/с, а скорость вращения - 8-10 об/с. Тогда подъемная сила оказывается равной примерно 3,5 Н. Поскольку согласно правилам ФИФА масса мяча должна быть равной 410-450 г, его ускорение составляет 8 м/с². А так как мяч за секунду пролетит 30 метров, то подъемная сила может заставить его отклониться на целых 4 м от обычной прямой линии – вполне достаточно, чтобы вратарю стало не по себе!

- Ещё какими качествами должен обладать футболист?

Особо следует сказать о важности быстроты реакции в футболе. В первую очередь это относится к игре вратаря. Для людей верхним пределом быстроты реагирования служит время, необходимое нервной клетке для приема информации, которое составляет 0,01 с. Когда объект зафиксирован глазом, мозг распознает его за время 0,05 с.Таким образом, быстрота реакции вратаря может находиться в пределах 0,01 - 0,05 с.

Время реакции человека - это время, за которое человек реагирует на какой-то сигнал, раздражение. “Время реакции (в психологии) – это протяженность от начала сигнала до реакции организма человека на этот сигнал”.

Если позволить вертикально расположенной линейке падать свободно, разжав державшие за её конец пальцы, то она будет свободно падать с ускорением g = 9,8 м/с² . Если сразу после начала падения линейку поймать, то по её участку “между пальцами” - отметкой, где мы её держали вначале, и, у которой её поймали, можно судить о том, сколько времени она падала. Это и будет время реакции человека.

Порядок выполнения эксперимента.

Если позволить вертикально расположенной линейке падать свободно, то она будет двигаться вниз равноускорено с ускорением g. Если же линейку сразу поймать, то по участку между пальцами – отметками, где мы её удерживали и где поймали, – можно судить о том, сколько времени она падала. Это время и будет временем вашей реакции.

Для проведения эксперимента нужны два человека. Один (находящийся под наблюдением) опирается рукой о стол таким образом, что кисть руки находится вне стола. Между большим и остальными пальцами должно оставаться свободное пространство. Второй участник держит в пальцах верхний конец линейки, а нижний помещен на высоте большого пальца испытуемого. Участник держащий линейку отпускает ее без предупреждения. Задача второго участника – поймать как можно быстрее.

H =

t =

Вывод:

Футбол - игра не только атлетическая, но и интеллектуальная. Футболист должен обладать не только быстротой спринтера, но и выносливостью марафонца. Футболисту нужна большая физическая сила и быстрота реакции и мышления.

Мы с вами проблему поставленную вначале решили. Действительно, спорт без науки и, в частности, без физики бессилен.

Рефлексия.

На слайде вы видите чемодан, мясорубку и корзину. Чемодан – это мне пригодится в моей работе. Мясорубка – информацию переработаю. Корзина – всё выброшу. Поднимите ту карточку, которая лучше всего подойдёт к тому, как вы поступите с полученной информацией.

Литература.

1. Ланина И.Я. Не уроком единым. [Текст] : развитие интереса к физике / Ланина И.Я. – М. : Просвещение,1991.
2. Локтев В. И. Механика и техника “сухого листа” [Текст] / В. И. Локтев, С. М. Агуреев // Молодой ученый. — 2013. — №2. — С. 4-9.
3. Шамбулина В.Н. Физика и спорт [Текст]: метод. указания / В. Н. Шамбулина, Л.Н. Чиркова, Д.А. Зарубин. – Ухта: УГТУ, 2010. – 39 с.
4. Хильневич С.С. Физика вокруг нас [Текст] / Хильневич С.С. – М. : Наука, 1985.