Cím: A sport fizikai alapjai II.
Szerző(k):  Sümegi László 
Füzet: 1967/március, 129 - 134. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Szakmai cikkek

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Hatásfok

 

Az alábbiakban meggyőződhetünk arról, hogy nemcsak a gépeknél, a versenyzőknél is fontos, hogy a befektetett munkából minél több váljék ,,hasznossá''. A sífutónál is ezt láttuk, közvetve. A hatásfokot úgy javította, hogy olyan erőforrást is bekapcsolt a munkavégzésbe, amely egyébként kihasználatlanul maradt volna.
 
 
12. ábra
 

Közvetlenül érvényesül ez az elv a magasugrásnál. Ha valaki helyből ugrik magasat, súlypontját nem tudja 1m-ről pl. 2m-re felvinni, mégis igen sok olyan magasugró van a világon, aki átugrotta ezt a magasságot. Nyilvánvaló, hogy nagy jelentősége van az ugrást megelőző nekifutásnak (roham) is. Jelöljük h1-gyel a súlypontnak azt a szintváltozását, amelyet rugalmasságánál fogva, és h2-vel azt a szintváltozást, amit ezen felül, a nekifutás segítségével ér el a versenyző (12. ábra). Ha v1-gyel jelöljük a nekifutás sebességét, v2-vel pedig a fellendülés után megmaradó vízszintes irányú sebességösszetevőt, a mozgási energia változása
E'm=mv122-mv222.
Ez a ,,befektetett'' munka s ennek egy része alakul át Eh=mgh2 ,, hasznos'' munkává. A hatásfok
η=mgh2m2(v12-v22)=2gh2v12-v22.
h2=0,4m, v1=8m/s, v2=2m/s  esetén η=13%.
Már a távolugrásnál láttuk, hogy a nekifutás sebességének növelése az elrugaszkodás sebességének csökkenésével jár. Magasugrásnál a hatásfok javítása tehát nem feltétlenül a nekifutás sebességének fokozásával érhető el. Sokkal hatásosabb, ha a vízszintes irányú sebességet a láb kitámasztásával minél nagyobb függőleges irányú sebességgé változtatjuk. (Ennek módja a ,,technika.'')
Ha az elugrás helyén a talaj nem vízszintes lenne, hanem ferdén emelkedő, ez az átalakulás természetesen kisebb töréssel valósulna meg, jobb lenne a hatásfok (13.a ábra).
 
 
13. ábra
 

A versenyszabályok ezt nem engedik meg (nem lehet dobogóról elugrani), de megengedték (legalább is egy ideig) az emelt talpú cipő (13.b ábra) használatát, ami a talaj ,,mesterséges'' fokozatos emelkedését jelentette.
Egészen különleges módon jelentkezik a hatásfok a súlylökő eredményességének lemérésénél. Tudott, hogy gépeink hatásfoka a fordulatszám függvénye: meghatározott sebességnél optimális. Ez sportnyelvre átfogalmazva szinte szóról-szóra ugyanaz a súlylökő esetében is, és a szakemberek hasznosítják is ezt a mechanikai analógiát. A szellemes elgondolás magyar szakemberektől ered!
 

A III. táblázat két súlylökő különböző tömegű súlygolyóval végzett dobásainak távolságát (x), a belőlük meghatározható kezdősebesség és a dobás közben végzett munka értékeit tartalmazza. A munka kiszámítása az L=mv02/2+mgh összefüggés alapján történhet. Itt v0 a kezdősebesség, h pedig a magasságkülönbség, amely a kidobás kezdő- és végpontja között jön létre. A munkavégzés tehát gyorsító- és emelési munka összegeként adódik.
 
III. sz. táblázat

 

,,X'' dobóm  (kg)x  (m)v0  (m/s)L  (joule)  621,0013,58582,9  7,2618,5012,65616,8  914,9011,19607,5  1013,5010,57607,5,,Y'' dobó  618,5012,65509,7  7,2617,2012,15512,0  1212,5010,10670,8(g=9,8  m/s,  T=2,3  m,  h=0,5  m)

 

Mit olvashat ki a szakember a mért és a számított eredményekből?
,,X'' dobónál a végzett munka a versenyen használatos 7,26kg tömegű golyóval végzett dobásnál a legnagyobb. Ez azt jelenti, hogy a dobó ebben az esetben éri el a legnagyobb hatásfokot, felkészülésében helyes úton jár.
Másként alakult a dolog ,,Y'' versenyzőnél. Itt a legnagyobb tömegű golyóval végzett dobásnál maximális a munkavégzés. Mivel nincs arra mód, hogy olyan versenyen induljon, ahol ekkora tömeget kell lökni, nem az erejét kell fejleszteni, növelni, hanem a kidobás (lökés) módját kell tökéletesítenie (,,technika'').
Ezek után nyilvánvaló, hogy ha egy versenyzőnél azt tapasztalják, hogy a legnagyobb munkát a versenyeken használtnál kisebb tömegű (pl. 6kg) golyóval fejti ki, nem az ügyességét kell fokoznia, hanem az erejét.
 

Közegellenállás és munka

 

A sífutónál nem tettünk említést a súrlódás mellett a közegellenállásról (a számítási résznél!), pedig az a mozgások nagy részénél (így pl. a síugrásnál is) szerepet játszik. És most, utólag sem jelent problémát, mert a közegellenállás az eredményeket befolyásolja ugyan, de azért eddigi megállapításaink lényegében igazak maradnak.
Vizsgáljuk meg egy síkfutó esetében a közegellenállás jelentőségét!
P. Nurmi, a legendás hírű finn hosszútávfutó versenyórával a kezében futott, így érte el, hogy egy-egy ,,kört'' (400m) tizedmásodpercnyi pontossággal azonos idő alatt tett meg. Vajon előnyös-e (kevesebb munkavégzés szükséges-e), ha a futó a versenytávot egyenletes sebességgel futja végig?
Legyen a megteendő távolság 2l, az az idő, amellyel egyenletes sebességgel futja végig a távot t, akkor ez a sebesség 2l/t. Fussa ugyanez az atléta a táv (l) felét t-x2, a másik felét t+x2 idő alatt, az egyes szakaszokat egyenletes sebességgel. A teljes távot így t-x2+t+x2=t változatlan idő alatt futja le.
A közegellenállás F=kdAv2 összefüggése alapján
a) végig egyenletes iram esetén
F1=kdA4l2t2,L1=F12l=8l3kdAlt2.

b) szakaszonként egyenletes iram esetén
F'=kdAl2(t-x2)2L'=4l3kdA1(t-x)2,F''=kdAl2(t+x2)2,L''=4l3kdA1(t+x2),L2=L'+L'',L2=8l3kdAt2+x2(t2-x2)2.

Az olvasóra bízzuk annak bizonyítását, hogy 0<x<t esetén L1<L2, tehát végig egyenletes iram esetén kisebb a közegellenállás ellen végzett munka, mint szakaszonként egyenletes iram esetén.
Lássunk erre is egy konkrét példát. Tegye meg a futó a 10000m-es távolságot 30 perc alatt, akkor 2l=400m megtételéhez t=72s szükséges.
k=0,46, A=0,5m2, d=1,3kg/m3 mellett L1=3693 joule, míg szakaszonként egyenletes iram esetén, ha x=4s, (34 és 38s alatt teszi meg a futó a 200200 métert) L2=3727 joule.
L2 munkával végig egyenletes iram mellett
L2=kdA8l3t'2alapjánt'=71,7s.

Ez azt jelenti, hogy körönként (400  m)0,3s időnyereséget ér el az egyenletesen futó versenyző. Sok futóversenyen mégis azt tapasztaljuk, hogy a versenyzők nem egyenletes iramban haladnak. Az esetek nagy részénél indokolt is ez (taktikai, pszichológiai okokból). Ne felejtsük el, hogy Nurminak fénykorában csak a versenyóra volt az ellenfele, a ma futóinak viszont ...
Talán nincs is olyan céllövő versenyző, aki akár távcsöves puskával is el tudná találni a tőle 1500m-re levő 10cm átmérőjű céltáblát. Joggal vívja ki tehát csodálatunkat az az ejtőernyős ugró versenyző, aki a nagy magasságban száguldó repülőgépből kiugorva, ejtőernyőjét 1500m magasságban kinyitva, a földön előre kijelölt ponttól 10cm-re ér talajt! S mindez nem véletlen, amit az is bizonyít, hogy a 10cm két ugrás eredményének számtani közepeként adódik. Az ehhez hasonló csúcseredményeknek elérése szintén sok fizikai ismeretet követel meg a versenyzőktől.
 
 
14. ábra
 

Először a szél hatását kell figyelembe venni. A földfelszíntől felfelé haladva adott szakaszonként (pl. 100 méterenként) mérik a szélerősséget és irányt, és ezeket vektorilag összegezik (14. ábra). Az eredő sebesség irány és nagyság szerint azt a feltételezett szelet mutatja, amely a teljes esési magasságon hat a versenyzőre. Az esés idejének figyelembevételével így meghatározható a rárepülés iránya és az ugrás helye.
Csoportos ugrás esetén hiba lenne, ha pl. az edző nem venné figyelembe, hogy a versenyzők súlya nem egyenlő. A nagyobb súlyú versenyző ugyanis nagyobb sebességgel esik az ernyő kinyitása után is. Legyen
d=1,23kg/m3,A=16πm2,k=0,7,G1=800N,G2=1000N,akkorv1=4,30m/s,v2=4,81m/s(v=FkdAalapján).



Ha tehát a versenyzők egy szinten nyitnák ernyőjüket, a nagyobb súlyú versenyző jutna előbb földközelbe. Ilyenformán az egy csapatbeliek éppen a legkritikusabb szakaszon nem tudnák egymást tanácsokkal, megfigyelésekkel segíteni.
De szükség van-e egyáltalán egymás segítésére? Ha minden zavaró körülményt figyelembe vettek mérés, számítás útján, akkor a versenyző automatikusan ,,belepottyan'' a célba?
Nem lehet mindent figyelembe venni! A szél erőssége ingadozó; a repülőgép nagy sebessége és az ejtőernyős csukott ernyővel való nagy esési sebessége miatt a kiugrás, ill. az ernyő nyitásakor elkövetett 0,1s-nyi pontatlanság 1020 méteres eltérést eredményezhet a földreérés helyét illetően.
Az esés idejének kiszámításánál szerepe van a levegő sűrűségének is, az pedig a magasság és a hőmérséklet függvénye. Az alábbi (IV. táblázat) egy 16πm2 keresztmetszetű ernyővel ugró 900N súlyú versenyző süllyedési sebességértékeit tartalmazza különböző tengerszint feletti magasságokon, ha a talaj menti hőmérséklet 15C, a nyomás 760hgmm, a légkör pedig nyugodt (k=0,7).
 

IV. sz. táblázat  tengerszint feletti  d(kg/ m3)v  (m/s)  magasság (m)    1000    1,112    4,80  500    1,167    4,680000    1,226    4,57  

Az esetek egy részében az ugró úgy segíthet magán (ha az esés idejét valamilyen zavaró ok miatt csökkenteni kell), hogy az ernyő felületének csökkentésével növeli az esés sebességét.
v=FkdAA;csökkentsük a felületetp%-kal, akkorv'=FkdAA100-p100100-p100=10100-p100-pv.
p=3% esetén a sebesség 1,5%-kal nő (5m/s-ból 5,08m/s lesz).
 
 
15. ábra
 
Ha viszont az esés idejét növelni kellene, mert az ugró késve nyitotta ernyőjét (P helyett P'-ben, 15. ábra), s a szél a cél irányába sodorja, látszólag semmi sem segít, előbb ér talajt a számítottnál (C helyett C'-ben).
Szovjet ejtőernyős sportolók tapasztalata alapján ma már ebben az esetben is lehet segíteni, ismét az ernyő felületének kicsiny mértékű csökkentésével! A felület csökkentése úgy történhet, hogy a zsinórok egy részét egy oldalon húzza le a versenyző.
 
 
16. ábra
 

Ilyenkor a minimális sebességnövekedés mellett (ami kissé hátrányos) fellép egy tekintélyes nagyságú oldalirányú elmozdulás (2m/s). A jelenség magyarázata a 16. ábra alapján történhet. Az ernyő, alakja megtartása mellett, kissé megbillen s a kiáramló levegő visszaható ereje mozdítja el az ernyőt ellentétes irányban. Ha ez az ellentétes irány a cél iránya, elérhető, hogy C' helyett mégis C-ben érjen talajt a versenyző!
Az oldalirányú elmozdulást az ún. réselt ernyőkkel még fokozni is lehet. Ilyen ernyőn a versenyző kényelmesen szabályozhatja a kiáramló levegő mennyiségét a rés megfelelő mértékű nyitásával, ami maga után vonja az oldalelmozdulást. Ilyen módon 3m/s oldalsebesség is elérhető. Kísérleteznek olyan ernyőkkel is, ahol 5m/s süllyedési sebesség mellett 7m/s az oldalirányú sebesség. Joggal nevezik ezt a műveletet vitorlázásnak.
 

Centrifugális erő

 

Természetesnek látszik, hogy a centrifugális erőt a dobásokon mutassuk be. A tankönyv azonban ezt tárgyalja, így inkább egy nagyon érdekes sportág, az oldalkocsis motorversenyzés területéről vegyük ismeretanyagunkat.
Kérdés: az oldalkocsiban ülő (!?) utas hasznos-e a versenyzés szempontjából, vagy csak a szabályok előírta ,,szükséges rossz''?
 
 
17. ábra
 

Legyen a motorkerékpár első, hátsó és oldalkerekére ható erő F1, F2 és F3, ha csak a vezető ül a motorkerékpáron. Az utas súlya legyen Fμ. Lényeges a további tárgyalás szempontjából, hogy az oldalkocsi a motorkerékpár melyik oldalára van szerelve. Esetünkben legyen jobb oldalra szerelve (17. ábra).
Mekkora sebességgel tud haladni a versenyző, ha jobbra kanyarodva, r sugarú körön halad a motorkerékpár, az utas pedig az oldalkocsi közepén helyezkedik el?
A sebességnek az szab határt, hogy a motorkerékpárra súlypontjában (a talajtól való távolsága s) Fcf erő hat, így fellép M=Fcfs forgatónyomaték. A sebességet addig lehet fokozni, míg ez a forgatónyomaték egyenlő nem lesz a motorkerékpár és a rajta helyet foglaló versenyzők súlyából származó ellentétes irányú forgatónyomatékkal. Jelekkel:
smv2/r=F3+(/2)Fμ.

Ha az utas az oldalkocsiból ,,kifekszik'' az úttest fölé, súlypontjának távolságát '-vel megnöveli,
smv2/r=F3+(/2+l')Fμ.

Mivel az utóbbi egyenlet jobb oldala Fμ'-vel nőtt, a sebesség is növelhető.
='=1m,   F3=40    kp,  F'μ= 80   kp,  s=0,55 m esetén

v=33km/ó, ill. v'=46,7km/ó sebességgel haladhatnak még a bukás veszélye nélkül.
Számítással ki lehet mutatni, hogy balra kanyarodás esetén, ha az utas ismét az oldalkocsi közepén tartózkodik, nagyobb sebességgel haladhat a jármű, mint hasonló helyzetben jobbra kanyarodás esetén.
Balra kanyarodás esetén úgy lehet növelni a sebességet a borulás veszélye nélkül, hogy az utas a hátsó ülésen áthajlik, növeli az ellensúlyozó forgatónyomatékot. (Itteni számításainkban nem vettük figyelembe, hogy az utas mozgása nemcsak vízszintes irányban, hanem függőlegesen is elmozdítja a súlypontot, elhanyagolása azonban nem vezet számottevő eltéréshez!)
Kérdés, hogy egy nagyobb tömegű rögzített testtel nem lehetne-e megoldani az ellensúlyozó forgatónyomaték növelését?
A válasz nemleges, mert
a) a versenyszabályok ezt nem engedik meg,
b) a jobbra kanyarodás sebességproblémáját megoldaná ugyan, a balra kanyarodásnál viszont annál hátrányosabb lenne,
c) feleslegesen növelné a motorkerékpár össztömegét, ami a gyorsulás szempontjából lenne hátrányos.
Ezzel a ,,szükséges rossz'' kérdésre is választ kaptunk. Az oldalkocsi utasa tehát a siker vagy sikertelenség (borulás) tevékeny részese, megérdemli tehát, ahogy azt szokás is mondani, a versenyzőtárs nevet.
A sport és fizika kapcsolatának ezernyi példáját lehetne még felsorolni és taglalni, ez azonban ‐ már a terjedelem miatt is ‐ lehetetlen. A témakörrel ‐ sok más között ‐ dr. Dobó Ferenc foglalkozik a Fizikai Szemle XIV. évf. (1964) 11. számában.
Az utóbbi évek magas szintű versenyein nagyon sokszor holtverseny állt elő két vagy több versenyző között, más esetekben csak minimális különbség mutatkozott közöttük. Gondoljunk arra, hogy a győzelem kiharcolásában éppen a fizika játszott vagy játszhatott volna döntő szerepet!
 
 Sümegi László