Может ли мультифизическое моделирование помочь российскому спорту?

Но я, как человек с классическим техническим образованием, вижу в спорте физику.

Что вы вспоминаете, когда заходит речь о прыжках с шестом? Правильно, Елену Исинбаеву. А вы знаете, что это одна и самых наглядных иллюстраций закона сохранения энергии и преобразования кинетической энергии в потенциальную?

При достаточном уровне подготовки вы и сами сможете построить более подробную физическую модель шеста, конструкции с перекладиной и условного спортсмена, которую можно решить с использованием принципов динамики многотельных систем.

Формат статьи не позволяет более подробно описать механику, лежащую в основе такой модели, поэтому давайте просто оценим, как с помощью аналогичных методов была рассчитана динамика удара клюшкой в гольфе, который в этом году вернулся в программу Олимпийских игр.

Кстати моделирование в спорте сразу отсылает нас к Формуле-1, одному из самых высокотехнологичных видов спорта, в котором очень многое зависит от аэродинамики болида.Для усовершенствования последней используется огромное число человеческих, материальных и вычислительных ресурсов. В какой-то момент целый болид был рассчитан на компьютере с использованием CFD-кодов. CFD или вычислительная гидродинамика является одним из наиболее известных методов численного моделирования огибания и взаимодействия потоков жидкости и газа в том числе с твердыми телами и используется в достаточно широком спектре применений.

Формулы-1 на олимпиаде нет, как и автоспорта в целом, но гидродинамические эффекты можно отследить в целом ряде спортивных олимпийских дисциплин.

Вы когда-нибудь задумывались о том, как движется весло и как им управляет каноист? Оказывается, это довольно легко смоделировать с помощью тех же принципов, что и при расчете аэродинамики автомобиля.

Давайте упростим немного геометрию задачи и отдадим все на откуп автору вот этой заметки и одному из самых доступных и простых в использовании программных пакетов для численного моделирования COMSOL Multiphysics. Современные возможности программного обеспечения такого класса позволяют легко задать траекторию «гребка», а затем с помощью метода конечных элементов решить систему уравнений Навье-Стокса.

С использованием таких моделей можно даже разработать новую технику гребли, ну или, во всяком случае, не выходя из-за стола, опробовать некоторые движения и оценить эффект ускорения лодки при их использовании.

Если уж физические модели способны помочь каноистам, то может быть они научат наших футболистов правильно бить по мячу?

Можно вечно спорить о том, кто лучше исполняет штрафные удары. Бэкхем, Пирло или может быть Комбаров? Но при детальном рассмотрении процесса удара по мячу с физической точки зрения всплывет фамилия Магнус.

Мы же обратимся к более практической части. Такие футболисты, как Роналду, могут мощно бить по мячу и добиваться предсказуемых результатов: при приближении к воротам мяч теряет скорость, поток переходит от турбулентного режима к ламинарному, при этом его траектория начинает искривляться случайным образом. Напротив, стабильный полет крученого мяча, связанный с эффектом Магнуса, позволяет таким футболистам, как Бекхэм, подавать навесы с тридцати метров с точностью до полуметра.

Сразу после сильного удара внешней стороной стопы (чем нередко пользовался Роберто Карлос), когда мяч обладает максимальной скоростью, турбулентный поток вокруг мяча и низкий коэффициент лобового сопротивления обеспечивают ему достаточно прямую траекторию. Когда мяч замедляется, коэффициент подкрутки становится больше, и эффект Магнуса проявляется сильнее. Мяч сначала летит прямо, а потом внезапно поворачивает к воротам.

Кубок Конфедераций. 1997 год. Фабьен Бартез сдвинулся с места, когда было уже слишком поздно, а болбой, стоявший в нескольких метрах от ворот, пригнулся. И вратарь и мальчик думали, что мяч летит очень далеко от цели…

Думал ли Роберто Карлос, что в таком ударе проявляется не только идеальная техника, но и сочетание турбулентности и эффекта Магнуса, остается загадкой.

Фото: РиаНовости, COMSOL