Энергия и прыжки с шестом, и снова физика

Ситуация. Бен Лопес занимается легкой атлетикой. Он специализируется на прыжках с шестом и иногда помогает в эстафетных забегах, где его скорость может быть полезной. Его тренер, зная, что Бен также изучает вводный курс физики, предлагает ему попытаться понять физику прыжков с шестом. Какие факторы определяют высоту прыжка? Как можно оптимизировать эти факторы?

Тренер знает, что энергетические соображения важны в прыжках с шестом. Какие типы преобразования энергии задействованы? Может ли понимание этих процессов помочь улучшить результаты Бена?

Прыгун с шестом на пути вверх. Какие энергетические преобразования происходят?

Анализ. Бену было несложно описать преобразования энергии, происходящие в прыжках с шестом: прыгун начинает с разбега по дорожке к стойке и яме для приземления. На этом этапе он ускоряется и увеличивает свою кинетическую энергию за счет химической энергии, запасенной в его мышцах. Когда он достигает стойки, он устанавливает конец шеста в углубление в земле. В этот момент часть его кинетической энергии переходит в упругую потенциальную энергию изогнутого шеста, который действует как пружина. Остальная часть энергии преобразуется в гравитационную потенциальную энергию, когда он начинает подниматься над стойкой.

Вблизи вершины прыжка упругая потенциальная энергия изогнутого шеста преобразуется в гравитационную потенциальную энергию по мере того, как шест выпрямляется. Прыгун также совершает дополнительную работу мышцами рук и верхней части тела, чтобы придать себе дополнительный импульс. На самой вершине прыжка его кинетическая энергия должна быть близка к нулю, с минимальной горизонтальной скоростью, необходимой для преодоления планки. Слишком большая кинетическая энергия в этот момент указывала бы на то, что он не оптимизировал свой прыжок, не преобразовав максимальное количество энергии в гравитационную потенциальную энергию.

Что Бен может извлечь из этого анализа? Во-первых, важность скорости. Чем больше кинетической энергии он генерирует во время разбега, тем больше энергии доступно для преобразования в гравитационную потенциальную энергию (mgh), которая в основном определяет высоту прыжка. Успешные прыгуны с шестом обычно являются хорошими спринтерами.

Гибкость шеста и точка, в которой прыгун держит шест, имеют важное значение для успеха прыжка

Характеристики шеста и хват Бена также являются важными факторами. Если шест слишком жесткий или если он держит его слишком близко к нижнему концу, он испытает резкий удар, при котором мало полезной потенциальной энергии будет запасено в шесте, а часть его начальной кинетической энергии будет потеряна при столкновении. Если шест слишком гибкий или если хват Бена слишком далек от нижнего конца, шест не сможет достаточно быстро выпрямиться, чтобы передать полезную энергию в верхней точке прыжка.

Наконец, сила верхней части тела важна для преодоления планки. Хорошая физическая подготовка верхней части тела должна улучшить результаты Бена в прыжках с шестом. Тайминг и техника также имеют решающее значение и могут быть улучшены только через практику. С точки зрения тренера, это, возможно, самый важный вывод.