Ученые Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН разработали экспериментальную трибологическую установку для исследования скольжения лыж по снегу, которую в перспективе можно использовать для изучения механизмов образования лавин (результаты опубликованы в Journal of Applied Mechanics and Technical Physics). Кроме того, специалисты сравнили биомеханику движений лыжников-гонщиков и описали, как она отличается у любителей и профессиональных спортсменов, а также у мужчин и у женщин.
Как улучшить структуру лыжи?
Сегодня в спорте высших достижений разница результатов призеров ничтожна, зачастую она составляет буквально секунды, поэтому получение любого преимущества от инвентаря и от экономичности движений становится по-настоящему важным.
«В начале 2020-х годов Международная федерация лыжного спорта (FIS) и Международный союз биатлонистов (IBU) приняли решение об отказе от фторсодержащих мазей из-за их влияния на экологию. В сезоне 2023/2024 полный запрет на фтор был распространен уже на все гонки, которые проводятся по календарям FIS и IBU. Запрет фторсодержащих мазей существенно ухудшил скольжение лыж и, соответственно, результаты гонок. Это стимулировало химиков на поиск составов мазей, которые послужили бы альтернативой, а также привлекло еще больше внимания к структуре лыжи. Речь идет о так называемом штайншлифте — микронасечках на скользящей поверхности, глубина которых не превышает десятки микрон. Эти насечки существенно улучшают скольжение лыжи, но порядок их нанесения — угол, форма, узор линий, расстояние между ними — до сих пор толком не изучен и считается чуть ли не шаманством. Успех в этом деле в значительной степени объясняется опытом технической бригады. Кроме того, такие насечки должны быть специально подобраны для каждой структуры снега, которая зависит от температуры, влажности и других факторов окружающей среды», — рассказывает заведующий лабораторией биомеханики и многомасштабной механики сложных сред доктор физико-математических наук Александр Павлович Чупахин.
По словам ученых, занимаясь задачей улучшения скольжения, важно принимать во внимание множество разнообразных факторов. В основе этого процесса лежит взаимодействие скользящей поверхности лыжи со снегом и давление, которое она оказывает на него. Так, при температуре снега ниже минус 15 °C реализуется процесс сухого трения, при котором кристаллики снега работают как абразив. Когда температура повышается, давление лыжи на снег вызывает его плавление, что способствует хорошему скольжению. Если же становится совсем тепло, возникают эффекты планирования. Кроме того, весь этот процесс осуществляется в динамике, и давление скользящей поверхности на снег является переменным в каждом цикле.
В исследовании, поддержанном грантом РНФ, ученые Института гидродинамики СО РАН решили, во-первых, посмотреть, как разные структуры поверхности лыжи взаимодействуют с разным снегом, а во-вторых, изучить биомеханику движения лыжников, которая также сильно влияет на результат гонок.
Ротационный трибометр
Для решения первой задачи исследователи сконструировали специальную экспериментальную установку — ротационный трибометр. Он представляет собой некую карусель, или вращающийся барабан, в который под определенным углом загружается снег. Затем на этот снег помещается лыжный брусочек (величиной с детскую лыжу, 40—50 см), закрепленный на отдельно стоящей балке. Прибор прижимает лыжу, имитируя давление веса лыжника, благодаря вращению карусели она скользит по снегу, и высокоточный динамометр снимает ее ответное давление. Меняя скорости вращения и параметры снега, можно смотреть, как изменяется скольжение и сила трения лыжи. Установленный над барабаном стационарный купол, оборудованный климатической системой, позволяет поддерживать постоянную температуру воздуха. Собранные при физических экспериментах данные переносят в цифровые модели, формируя так называемый цифровой двойник трибологической системы.
Созданная сибирскими учеными установка позволит оценивать эффективность скольжения по снегу при заданных параметрах температуры, структуры снега и влажности, а также для заданной шероховатости скользящей по снегу поверхности лыжи. Полученные данные могут быть использованы для создания алгоритма нанесения на нее эффективного штайншлифта.
Трибологическая система ИГиЛ СО РАН не имеет аналогов в мире. Большинство существующих сегодня трибологических установок карусельного типа — настольные, диаметр вращающегося диска у них не превышает полуметра, а протяженность поверхности «лыжи» — десятки сантиметров. Из-за этого целый каскад важных для скольжения событий (эффекты разлома структуры снега, плавление кристаллов снега, вытеснение воды по канавкам макроструктуры скользящей поверхности, обратное замерзание водной пленки и другие) просто не успевает произойти. Существуют также трибологические установки линейного типа, но зачастую они требуют больших площадей, подразумевают использование искусственного снега и, самое главное, не подходят для исследования других объектов.
«Помимо лыж, на нашей установке мы планируем изучать механизмы образования снежных лавин. Здесь возникает обратная задача: у вас есть горная порода, которая имеет свою макро- и микроструктуру, и на ней лежит огромный слой снега под каким-то уклоном. Светит солнце, дует ветер, меняется температура или геофизическая обстановка, и в какой-то момент начинается процесс срыва лавины. Очевидно, что в зоне контакта снега с породой или другой частью пласта произошли явления, которые этому способствовали, их изучение — тоже задача трибологии. Вместе с коллегами из Магадана и с Кавказа мы написали заявку на грант по этой лавинной тематике и сейчас ждем решения по нему», — говорит заведующий лабораторией механики неупорядоченных сред кандидат физико-математических наук Даниил Васильевич Паршин.
Для изучения процессов образования лавин прибор планируется дополнить акустическими датчиками, способными регистрировать акустические волны, возникающие при пластической деформации и разрушении пласта. Кроме того, в перспективе результаты изучения скольжения могут быть использованы для создания транспорта, способного перемещаться по зимнему бездорожью арктических и антарктических территорий.
Движения в уравнениях
Вторым направлением работы по гранту стало исследование кинематики движения лыжников-гонщиков, перемещающихся способом дабл-полинг (бесшажный одновременный классический ход).
«Мы купили компактный дрон и вместе со студентами Новосибирского государственного университета ездили снимать соревнования и лыжероллерные тренировки, а потом оцифровывали движения участников и записывали их в математическую модель», — рассказывает Даниил Паршин. Движения лыжников-любителей ученые сравнивали с движениями профессиональных спортсменов элитного класса (видео с их соревнований брали в интернете). Ученых интересовало, насколько влияют на скорость и эффективность хода наклон корпуса, махи руками, углы сгиба локтей и кистей и другие параметры. Математическое моделирование позволило показать это влияние наглядно.
«Если сравнивать лыжный ход спортсмена высокого класса и человека, который просто вышел на лыжную прогулку, то они будут резко отличаться. Последний будет делать много лишних движений, которых нет у профессионала. Например, наблюдая за бегом любителей, можно увидеть очень много поперечных движений руки, а профессионал не совершает их, тем самым экономя энергию. Главная задача нашего моделирования — описать механизм движений, при котором обеспечивается оптимальный режим хода», — отмечает Александр Чупахин.
Глубокое понимание фундаментальных основ биомеханики движений лыжников-гонщиков может быть полезным для построения более эффективных техник тренировок и выбора оптимальных стратегий прохождения дистанции.
«Мы заключили договор с новосибирской Спортивной детско-юношеской школой олимпийского резерва Федерации лыжных гонок России. Задача по изучению и улучшению биомеханики движения вызвала у них большой интерес, потому что это способно помочь в технических тренировках юных спортсменов. Параметры, которые отличают новичка от профессионала высокого класса, можно отразить в уравнениях и исследовать дрейф этих параметров от любителя в сторону профессионала», — рассказывает Даниил Паршин.
Также ученые сравнили движения мужчин и женщин среди лыжников-гонщиков элитного уровня. Оказалось, что техника дабл-полинга у них сильно различается и сама структура уравнений имеет разный характер.
«У мужчин уравнение описывает быстро-медленные движения (чем-то это похоже на кардиоцикл с резкими выбросами), а у женщин колебания гармонические, то есть движения более плавные. Есть предположение, что это связано с особенностями женской физиологии», — говорит Даниил Паршин.
Таким образом, ученым удалось разработать механизм получения параметров движения спортсменов, а также подобрать более подходящую математическую модель (по сравнению с аналогами из литературы), которая неплохо описывает такие движения. Полученные результаты лягут в основу полнофункциональной модели, позволяющей решать задачи минимизации затрат энергии при прохождении лыжегоночной трассы. В дальнейшем их можно будет применять для разработки скользящих поверхностей в сфере арктического транспорта: лыж-направляющих, волокуш и других.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект 22-29-01567).
Диана Хомякова
Фотографии предоставлены исследователями и из открытых источников
