Математическое моделирование полета лыжника при прыжке с трамплина

,  (1)

где    - сила тяжести;

-  масса системы прыгун-лыжи;

-  ускорение центра масс системы;

- ускорение  свободного падения;

- подъемная  сила;

- сила  лобового сопротивления.

 

 

Рис. 3. Система координат и основные силы, действующие на прыгуна в полете.

 

Сила лобового сопротивления направлена по касательной к траектории противоположно скорости и пропорциональна квадрату модуля скорости:   , (2)

 а подъемная  сила направлена по нормали к траектории и по модулю равна:   ,  (3)

где коэффициент [6]. Коэффициент определяется предельной скоростью системы лыжник-лыжи :

. (4)

Предельная скорость - это скорость установившегося свободного падения тела в воздухе.

Спроецировав (1) на оси координат, путем несложных преобразований приходим к дифференциальным уравнениям движения:

 (5)

Понизим порядок системы:

 (6)

Следует также помнить, что воздушная среда находится в движении, в воздухе вокруг трамплинной горы задано векторное поле скоростей ветра. То есть все предыдущие уравнения записаны для относительных скоростей и их следует переписать для абсолютных скоростей.

 (7)

где - горизонтальная, а - вертикальная составляющая скорости ветра.

Начальные условия:

 (8)

Очевидно, что в общем случае задача если и решается аналитически, то очень сложно, поэтому целесообразнее решать ее численно. Критерием окончания расчета будет служить выполнение одного из следующих условий:

• пересечение траектории со склоном горы;
• вылет прыгуна за пределы участка приземления: .

Рассмотрим коэффициенты и . В простейшей модели можно положить их постоянными, как сделано, например, в работе [4]. Однако в действительности эти коэффициенты зависят от ориентации лыжника в воздухе и от его позы. Но у нас есть достаточно оснований считать позу лрыгуна постоянной в полете, такое допущение сделано не только в этой работе, но и в работах [2 - 4]. Ориентацию же лыжника в пространстве определяет угол атаки системы прыгун-лыжи, то есть угол между плоскостью системы и скоростью набегающего потока воздуха. Здесь и далее в подобных случаях под набегающим потоком воздуха понимается скорость воздуха относительно системы лыжник-лыжи. При старых техниках прыжка, изображенной на рис. 3, когда корпус лыжника находился на относительно большом расстоянии от лыж, необходимо было рассматривать отдельно угол атаки корпуса, ног, рук и лыж [1], но при современных техниках и особенно при так называемом V-стиле, когда прыгун раздвигает лыжи и ложится между ними, становясь как бы треугольным крылом, можно приближенно считать, что лыжник и лыжи находятся в одной плоскости и рассматривать один угол атаки - угол атаки всей системы в целом.

Вернемся к началу этой главы. Для силы лобового сопротивления (2) и подъемной силы (3) существуют и другие выражения [6,7]:

, (9)

, (10)

где - плотность воздуха, - коэффициент силы лобового сопротивления,

- коэффициент  подъемной силы, - площадь миделя (площадь сечения системы прыгун-лыжи в плоскости, перпендикулярной набегающему потоку воздуха). Если считать, что лыжник и лыжи находятся в одной плоскости, то площадь миделя при заданном угле атаки определяется следующим образом: , где - площадь миделя при угле атаки 900. Угол атаки складывается из угла между горизонталью и скоростью и угла между горизонталью и лыжами (рис. 4).

 

Рис. 4. Определение угла атаки системы лыжник-лыжи.

- угол  между лыжами и горизонталью,

- угол  между скоростью и горизонталью,

- угол  атаки.

 

Как видно из кинограмм прыжков, приводимых, например, в [1], и из наблюдений за прыгунами, угол между лыжами и горизонталью в полете практически не меняется, меняется лишь угол между скоростью и горизонталью. Тогда, учитывая выражения (2) и (9), можно записать:

. (11)

Из рис. 4 видно, что

  . (12)

Аэродинамические коэффициенты и можно найти из опытов в аэродинамической трубе. Однако в настоящее время мы не располагаем этими данными для современных техник прыжка, поэтому в данной работе используется лишь оценка аэродинамических коэффициентов. Рассмотрим лыжника и окрыжающий его воздух. Если рассмотреть воздух, как идеальный газ, состоящий из круглых упругих частичек, то согласно теории удара аэродинамическая сила будет направлена по нормали к поверхности лыж (см. рис. 5).

 

Рис. 5

Подъемная сила и сила лобового сопротивления в потоке идеального газа.

- полная  аэродинамическая сила, составляющими которой являются

сила лобового сопротивления и подъемная сила.

 

Угол между скоростью и лыжами - это угол атаки . То есть коэффициент

 (13)

Окончательно имеем следующие выражения для и :

 (14)

где

 (15)

В формуле (14) - это угол отрыва, то есть угол, под которым траектория наклонена к горизонтали в начальный момент времени. Минус поставлен потому, что . Под понимается предельная скорость системы лыжник-лыжи в момент отрыва (в начальный момент времени).

Система дифференциальных уравнений (7) с аэродинамическими коэффициентами, вычисляемыми в каждый момент времени по формулам (14), (15), образует замкнутую систему уравнений. Если к ней добавить начальные условия (8), данная задача будет являться задачей Коши.

В заключение приводится сравнение реальных аэродинамических коэффициентов прыгунов 60-х и нашей оценки. На рис. 6 видно, что вид зависимости коэффициентов друг от друга с угол атаки в качестве параметра слабо отличается, и коэффициент подъемной силы в нашей работе выше, чем в экспериментах тридцатилетней давности. Это хорошо согласуется с тем фактом, что за прошедшие годы прыгуны научились развивать большую подъемную силу. Также если сравнить полученные нами графики зависимости аэродинамических коэффициентов от угла атаки (рис. 7) с аналогичными графиками в [1] на страницах 10-11, 13-14 и 15-16, видно, что вид зависимости сохранился.

 

Рис. 6.

Зависимость коэффициента подъемной силы от коэффициента сопротивления с углом атаки в качестве параметра.

Кривая А - наша оценка, кривая В - эксперименты в аэродинамической трубе с моделями прыгунов, использующих старую технику прыжка.

 

 

Рис. 7.

Зависимость коэффициентов силы лобового сопротивления и подъемной силы от угла атаки. 
4. Обтекание трамплинной горы потоком воздуха

4.1. Концептуальная постановка  задачи

Эта глава посвящена задаче обтекания воздухом трамплинной горы. Цель данной работы - спрогнозировать поле скоростей ветра вблизи трамплина, чтобы можно было использовать эти данные в модели полета лыжника и более точно оценить влияние ветра на полет.

Сам трамплин достаточно узок и не играет значительной роли в формировании воздухных потоков, поэтому рассматривается только гора.

Для решения задачи была привлечена теория пограничного слоя. Воздух в пограничном слое вблизи земли считается вязкой несжимаемой жидкостью. Это не противоречит очевидной сжимаемости воздуха: как будет показано ниже, условие сжимаемости (согласно [8], где используется термин "искусственная сжимаемость") будет выглядеть точно так же, как и условие несжимаемости. Рассматривается двумерная постановка задачи течения жидкости в достаточно большой области, чтобы течение во входном и выходном сечениях и на верхней границе можно было считать строго горизонтальным. Нам известны экспериментальные данные по среднесезонным и среднегодовым скоростям ветра на разных высотах, их можно использовать для проверки и выбора входных данных. В [9], например, скорости ветра заданы в виде нечетких чисел, у которых функция принадлежности имеет вероятностный смысл, а носитель измеряется в м/с:

Скорости ветра в среднем по зимнему сезону (среднее значение):

скорость ветра на высоте от 40 до 120 м (4.9 м/с):

("0 до 2"/0.188 , "2 до 5"/0.420 , "5 до 10"/0.352 , "10 до 15"/ 0.037, "свыше 15"/0.003)

скорость ветра на высоте 500 м   (11.4 м/с):

("0 до 2"/0.061 , "2 до 5"/0.125 , "5 до 10"/0.336 , "10 до 15"/ 0.241, "свыше 15"/0.237)

скорость ветра на высоте от 1000 м  (11.3 м/с):

("0 до 2"/0.073 , "2 до 5"/0.114 , "5 до 10"/0.290 , "10 до 15"/ 0.280, "свыше 15"/0.243)

скорость ветра на высоте от 1500 м  (11.6 м/с):

("0 до 2"/0.087 , "2 до 5"/0.076 , "5 до 10"/0.276 , "10 до 15"/ 0.306, "свыше 15"/0.255)

Среднегодовые скорости ветра (среднее значение):

скорость ветра на высоте от 40 до 120 м (4.7 м/с):

("0 до 2"/0.214 , "2 до 5"/0.442 , "5 до 10"/0.316 , "10 до 15"/ 0.026, "свыше 15"/0.002)

скорость ветра на высоте 500 м   (8.9 м/с):

("0 до 2"/0.117 , "2 до 5"/0.194 , "5 до 10"/0.370 , "10 до 15"/ 0.187, "свыше 15"/0.132)

скорость ветра на высоте 1000 м   (9.2 м/с):

("0 до 2"/0.110 , "2 до 5"/0.183 , "5 до 10"/0.336 , "10 до 15"/ 0.225, "свыше 15"/0.146)

скорость ветра на высоте 1500 м  (9.4 м/с):

("0 до 2"/0.126 , "2 до 5"/0.168 , "5 до 10"/0.284 , "10 до 15"/ 0.274, "свыше 15"/0.148)

Как видно из этих данных, начиная с высоты 500 метров скорость ветра мало изменяется, значит, эту величину можно принять в качестве толщины пограничного слоя. Рассматриваемая область имеет прямоугольную форму с выпуклостью на нижней границе - трамплинной горой.

Контрольный счет проводился при следующих граничных условиях:

во входном сечении:  (16)

в выходном сечении:  (17)

на верхней границе:  (18)

на нижней границе:  (19)

Рассматриваются достаточно малые скорости, так как при сильном ветре прыжки запрещены. Малость скоростей позволяет пренебречь конвективными членами и считать течение ламинарным. Силой тяжести на данном этапе мы также пренебрегаем. Надо сказать, что мы сознаем некоторую натянутость такой постановки, в следующей работе эта задача будет решена уже с учетом и конвективного члена, и силы тяжести.

4.2. Математическая постановка

Течение вязкой несжимаемой жидкости описывается следующими уравнениями [7]:

 (20)

Для двумерной постановки эти уравнения приводятся к следующему виду:

 (21)

Согласно [8] для описания сжимаемых жидкостей первое уравнение из (21) может быть заменено на следующее: , однако так как в данной работе рассматривается стационарное течение, то производная по времени равна нулю, и это соотношение приобретает вид, идентичный условию несжимаемости.

Задача решалась с граничными условиями (16)-(19).

В качестве области брался прямоугольник с выступом в виде трамплинной горы. Сам трамплин достаточно узок, и не вносит существенного вклада в формирование воздушного потока, поэтому он не рассматривается. Трамплинная гора состоит из участка необработанного склона - дуги окружности с известным радиусом кривизны, длиной и высотой, участка обработанного склона, предназначенного для приземления лыжников - прямой с известным углом к горизонтали и длиной и закругления с известным радиусом для безопасности тех, кто улетает за пределы допустимой дальности.

4.3. Численное решение

Задача решалась методом Галеркина в терминах скорость-давление. Метод конечных элементов был использован, так как он позволяет более точно, чем метод сеток, аппроксимировать границы области. Задача решалась в естественных переменных для простоты удовлетворения граничным условиям. Для решения задачи была составлена программа, основными частями которой были разбиение области на конечные элементы, составление и решение системы уравнений. Система уравнений имеет ленточный вид, что позволило значительно увеличить количество конечных элементов. В программе была использована линейная аппроксимация скоростей и кусочно-постоянная аппроксимация давления. Дело в том, что в [7] показано, что наибольшая точность и устойчивость метода конечных элементов для подобных задач достигается, если аппроксимация скоростей на порядок выше аппроксимации давлений. Для давлений использовались четырехугольные конечные элементы, делившиеся для скоростей на два треугольных.

 

Рис. 8.

Конечноэлементная сетка, использовавшаяся при решении задачи.

Показаны только четырехугольные элементы.

 

4.4. Результаты

При перепаде давлений между входным и выходным сечениями расчетной области 2 10-6 мм рт. ст. (около 4 10-4 Па) скорость ветра на верхней границе составила примерно 11 м/с, а на высоте, где обычно летают лыжники - около 5 м/с, что вполне согласуется с приведенными выше опытными данными.

Задача решалась при различных граничных условиях, что позволило выяснить, как влияет на расчет заданный перепад давлений или заданная входная скорость. Оказалось, что задав силовое граничное условие - перепад давлений - получаем такие скорости, что если задать их в качестве кинематических граничных условий, получается тот же перепад давлений, что и в первой задаче.

Из рисунка 9 видно, что во входном и в выходном участках области скорость ветра строго горизонтальна, а в районе горы имеет вертикальную составляющую, так как воздушный поток огибает гору. На рисунке 10, показывающем распределение поля давлений, видно, что давление над горой ниже, чем под горой, что и является причиной восходящего (огибающего гору) тока воздуха.