Влияние окружающего ветра на работоспособность горнолыжника

Aug 12, 2023

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 4906 (2023) Цитировать эту статью

331 Доступов

Подробности о метриках

Горные лыжи, особенно скоростной спуск, являются одним из самых экстремальных зимних видов спорта с точки зрения высокой скорости и небольшого выигрыша, а его трассы всегда расположены в горных районах с большими высотами и сложными полями окружающего ветра, что приводит к значительному воздействию окружающий ветер на выступление и окончательный рейтинг горнолыжников. В настоящем исследовании метод, основанный на сочетании полевых измерений, испытаний в аэродинамической трубе и кинематического моделирования, использовался для оценки влияния окружающего ветра на работоспособность горнолыжника. С учетом влияния окружающего ветра была создана кинематическая модель системы горнолыжник-лыжи и выведены уравнения движения при прямолинейном планировании и повороте. Затем в качестве примера была взята трасса скоростного спуска Китайского национального горнолыжного центра (CNASC) для изучения влияния окружающего ветра на время планирования с использованием предложенного комбинированного метода оценки. Были проведены полевые измерения и испытания в аэродинамической трубе для определения пяти критических направлений окружающего ветра: 270°, 292,5°, 315°, 337,5° и 360°. Кроме того, были также получены скорости и направления ветра для 16 различных точек измерения трассы спуска. Результаты моделирования показали, что время финиша увеличилось на 19,75% при направлении окружающего ветра 270°, тогда как время финиша уменьшилось на 1,29% при направлении окружающего ветра 360°.

Горные лыжи — один из самых популярных зимних видов спорта, который прекрасно сочетает в себе скорость и мастерство, является одним из официальных и фирменных видов зимних Олимпийских игр и состоит из пяти основных подпроектов: скоростной спуск (DH), слалом (SL), слалом-гигант ( GS), слалом-супергигант (SG) и горное двоеборье (AC), из которых DH является самым экстремальным соревнованием с точки зрения скорости соревнований: максимальная скорость спортсменов превышает 140 км/ч1. Кроме того, время финиша элитных спортсменов в гонке часто варьируется всего на сотые доли секунды2, а это означает, что любой кинематический или кинетический фактор может существенно повлиять на окончательный рейтинг, прямо или косвенно, например, сила аэродинамического сопротивления, взаимодействие лыж со снегом, снаряжение (например, лыжи, палки и гоночные костюмы) и траектория, а также техника катания3,4,5. В частности, трассы для скоростного спуска всегда расположены в горных районах с большой высотой и сложными ветровыми условиями. По этим причинам нельзя игнорировать влияние окружающего ветра на время скольжения лыжников. Учитывая высокие скорости и узкую разницу в выигрыше, спортсмены или тренеры должны иметь четкое представление о том, где время экономится, а где теряется, чтобы они могли принять соответствующие меры и тренироваться для достижения кратчайшего времени в гонке. Поэтому очень важно оценивать результаты на протяжении всего соревнования, особенно затраты времени.

В последние годы было проведено несколько исследований по изучению эффективности соревнований по горным лыжам путем объединения экспериментов в аэродинамической трубе, полевых измерений2,6,7,8 и вычислительной гидродинамики (CFD)9,10,11. Более того, некоторые исследователи сосредоточили свое внимание на движении системы лыжник-лыжи с помощью моделирования. Леготин и Ривлин12 разработали стержневую модель системы лыжник-лыжи для оценки различных механизмов потери устойчивого положения в процессе выполнения поворота лыжи, включая боковое скольжение и падение во фронтальной плоскости. Nemec13 предположил, что лыжник ведет себя как перевернутый маятник, и оценил центр масс (COM) и траекторию лыжи. На основе модели перевернутого маятника аналогичный подход был предложен Комиссаровым14,15. В исследовании Цая и Яо16 система лыжник-лыжи была смоделирована как твердое тело для исследования физических динамических характеристик и оптимизации траектории. Кроме того, Чен и Ци17 разработали двумерную (2D) модель для моделирования движений на лыжах на основе многочастичной системы, тогда как аналогичная плоская модель многотельного моделирования использовалась для изучения поперечных вибраций во время движения по линии падения на ухабистых и неровных лыжах. склоны18. Обереггер19 создал 3D-модель лыжника, состоящую из нескольких тел, для имитации последовательных поворотов. Следует отметить, что во всех вышеупомянутых исследованиях важным фактором, влияющим на результативность горнолыжных соревнований, является аэродинамическое сопротивление, которое учитывалось при разработке модели кинематики. Однако текущие исследования учитывают только аэродинамическое сопротивление, вызванное относительным движением между лыжником и воздухом, игнорируя при этом сопротивление, вызванное окружающим ветром, что приводит к расхождениям между результатами, полученными в результате анализа моделирования, и реальными ситуациями.