Fisica e Sci

8/6/2019 Fisica e Sci

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E ADESSO, COME FACCIO AE ADESSO, COME FACCIO A

FERMARMI?FERMARMI?

Fisica e SciFisica e Sciovvero

Dove avevo letto come si fa!?!Dove avevo letto come si fa!?!


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Ugo Ottolenghi di Vallepiana1931

Leo Gasperl1955

StefanKruckenhauser

1958

Testo tecnico italiano1979

Testotecnico italiano2004


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La fisica e le nostre azioniquotidiane

Ogni azione che facciamo si svolge in un ambiente che cisembra avere delle caratteristiche scontate. Si crede, adesempio, che camminare sia una abilit innata che emergaspontaneamente ad una certa et, tanto che ci si preoccupanon poco quando un bambino ritarda di qualche mese ilmuovere i suoi primi passi.

L'ambiente che ci circonda possiede invece delle propriet

ben precise, ed proprio la scoperta e la sperimentazionedi strategie diverse per controllare o sfruttare questecaratteristiche il lavoro al quale il bambino deve dedicare granparte del tempo nei primi anni della sua vita.


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I tre livelli delle nostre azioni

Rispetto all'ambiente Rispetto agli oggetti che usiamo Rispetto al nostro corpo

Gettare le cose, farle cadere, romperle, morderle, perquanto possano mandare mamma e pap su tutte le furie,

non sono altro che esperimenti che il bambino fa per capirein che modo funzionino le interazioni tra se stesso, gli oggettie l'ambiente circostante.In realt passiamo l'intera vita a fare questo tipo diesperimenti, anche se non ce ne rendiamo conto.


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Come c'entra la fisica con lo sport

LIVELLO ASPETTI DOMINANTI

CORPO UMANO

caratteristiche atletiche

MOVIMENTI

Biomeccanica: abilit individualiATTREZZO

caratteristiche specificheGEOMETRIE PROPRIET MECCANICHE

tecnologie costruttive: variabili da attrezzo ad attrezzo

AMBIENTEcaratteristiche ambientali

GRAVIT ATTRITIforze naturali: uguali per tutti


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AMBIENTE: La forza di gravit

La prima propriet che possiamo riconoscere nell'ambiente,proprio perch la pi evidente, che tutto cade a terra, o

meglio, quasi tutto. A questa propriet siamo anche capaci didare un nome: forza di gravit. L'abbiamo conosciuta neinostri esperimenti infantili: se una cosa cade, cade sempre;se cade a casa, cade anche a casa dei nonnitirando unsasso per colpire un bersaglio risolviamo un'equazione

differenziale che molti di noi non saprebbero nemmeno comescrivere


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AMBIENTE: Gli attriti

Un'altra propriet che possiamo osservare nell'ambiente incui ci troviamo che tutto ci che si muove prima o poi siferma. Quando dobbiamo pedalare in bicicletta contro ventomagari lo consideriamo come un fastidio, ma la presenzadegli attriti, la causa cio di questo fenomeno, ci aiutamoltissimo in qualsiasi nostra azione. Mangiare, camminare,giocare sarebbe impossibile senza gli attriti.


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ATTREZZO: propriet geometriche

Gli sport, ma non solo, ci mettono continuamente a contattocon attrezzi che utilizziamo a fini precisi: per scivolare, pergalleggiare, per colpire, per raggiungere. Attraverso laconoscenza di essi siamo in grado di migliorare le nostreprestazioni. Una parte di questa conoscenza riguarda la loroforma, cio le loro propriet geometriche.


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ATTREZZO: propriet meccaniche

Gli attrezzi, oltre che per la loro forma, si differenziano ancheper come si comportano quando su di essi, o parti di essi,vengono applicate delle forze. Le loro propriet meccaniche

derivano prevalentemente dalle caratteristiche di elasticitlungo determinati assi, determinate dai materiali a dalletecnologie costruttive.Materiali diversi impiegati per la loro costruzione possonocomportare anche, a causa delle variazioni del peso,

comportamenti diversi di natura inerziale.


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CORPO UMANO: biomeccanica

Il livello pi complesso quello nel quale intervengono imovimenti del corpo umano. Fino a non molto tempo fa, nellosport, questo livello non veniva esplorato utilizzando principi

scientifici ma attraverso studi di tipo empirico, soprattuttoosservando e cercando di imitare il gesto dei campioni.Ora esiste una disciplina specifica che si occupa dicomprendere a fondo i movimenti del nostro corpo,ricercandone l'ottimizzazione sia a fini sportivi che riabilitativi.

Questa discilpina chiamata biomeccanica.


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Ora iniziamo a parlare di sci

Lo sci uno sport dove tutte e tre le componenti che abbiamovisto assumono un ruolo rilevante:

la gravit rappresenta il motore che ci permette di scendere

lungo un pendio;la forma e le propriet elastiche degli sci, abbinati agli attrititra questi e la neve ci permettono di disegnare delle curve pio meno precise;i movimenti del nostro corpo determinano le deformazioni

dell'attrezzo, ed allo stesso tempo ci servono a mantenerel'equilibrio relativamente ad un mezzo in movimento.


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Un passo indietro: perch si riesce a camminare?

Non una domanda banale, provate a camminare in mezzo alla nevealta, oppure in una stanza piena di palline.Innanzitutto abbiamo bisogno che la superficie d'appoggio riesca a

sostenere il nostro peso con una deformazione minima.Secondariamente abbiamo bisogno che tra il nostro piede ed il pianodi appoggio ci sia sufficiente attrito da permetterci di sollevare l'altropiede e, facendo forza all'indietro sul terreno, portarlo in avantisfruttando una reazione vincolare.Su una pista di pattinaggio la seconda condizione viene a mancare,

per cui se proviamo ad avanzare facendo gli stessi movimenti diquando camminiamo non otteniamo nessun risultato.Dobbiamo pertanto modificare le nostre azioni, cio cambiaretecnica.


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Che cosa significa scivolare?

Lo scivolamento si ottiene eliminando, per quanto possibile,l'attrito con la superficie di appoggio. Nello sci e nellosnowboard questo ottenuto con superfici dell'attrezzo piatte,ad alta idroreppellenza, anche aiutandosi con mezzi chimici,come le scioline e paraffine, ed espedienti meccanici come le

impronte.Il cambio di direzione deve per avvenire, come quandocamminiamo, attraverso l'utilizzo di un punto di appoggio chechiamiamo vincolo che ci permette di generare un'opportunareazione vincolare.

Le lamine, costruite in acciaio e tenute ben affilate ciforniscono la possibilit di creare questo vincolo.


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Reazioni vincolariSe saliamo su un tappeto elastico questo si

incurva sotto il nostro peso e, raggiunta laposizione di equilibrio, ci sostiene. Larisultante delle forze quindi nulla. Quali sonole forze?La prima la forza peso, determinata dallanostra massa, che ci fa muovere verso il

basso. La seconda la forza con la quale iltappeto elastico ci sospinge verso l'alto. Nelpunto di equilibrio le due forze si bilancianoperfettamente.La forza che ci sostiene detta reazionevincolare.

La materiaassomiglia

ad un materassoa molle...

Una trave sideforma per

creare la forzaelastica che ci

sostienequasisempre!


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Sistemi di riferimento

Per parlare dello sci abbiamo anche bisogno di stabilire un sistema diriferimento, rispetto al quale le nostre descrizioni avranno un senso.Dividiamo i sistemi di riferimento a seconda che siano fermi rispetto almovimento che descriviamo, cio fermi rispetto a noi che osserviamo,

oppure in moto assieme all'oggetto che si muove.Nel caso dello sci questa differenza si pu riassumere nel punto di vistadel maestro e quello dell'allievo.Il maestro osserva il movimento dal basso ed ha come riferimenti, ingenerale, la massima pendenza, la quota, la distanza.L'allievo si muove sugli sci ed usa questi come punto di riferimento

principale, per cui, a seconda della sua posizione, utilizza termini comemonte, valle, interno, esterno, Parlando con l'allievo il maestro si mette nei suoi panni, si riferisce cioal suo sistema di riferimento, quello in moto.


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x

y

z

Sistema diriferimentocartesiano

Sistema di riferimento usato perstudiare la traiettoria di uno sciatore


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Forze inerziali

Quando un sistema modifica la sua velocit le masse presenti subisconolazione di forze inerziali.Questo avviene anche nel caso di velocit costante ma quando latraiettoria non rettilinea.

La conseguenza di ci che lo sciatore, eseguendo una curva, sente ilsuo centro di massa spinto in direzioni diverse dalla classica verticale.Negli sciatori meno esperti questa sensazione viene percepita comenon-naturale.Le forze inerziali non sono delle vere e proprie forze, ma derivano dalfatto che stiamo descrivendo il movimento rispetto ad un sistema d

riferimento soggetto ad accelerazioni. Un tale sistema di riferimento detto Sistema di riferimento Non-Inerziale.Tutti conosciamo l'effetto di un'accelerazione o di una frenata quandosiamo in automobile.


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Ancora sulle forze inerziali

Una forza inerziale si manifesta con la stessa intensit e direzione, maverso opposto, della forza che accelera il sistema di riferimento.Cos in macchina, se freniamo (forza reale nel verso opposto al moto) ipasseggeri si sentono spinti verso avanti (direzione del moto). Se

giriamo a destra (forza reale verso destra) i passeggeri sono spinti asinistra. Le forze inerziali esprimono la tendenza di un corpo amantenere il suo stato di quiete o di moto (primo principio delladinamica).Le forze inerziali si applicano, come quelle gravitazionali, nel baricentrodei corpi.

L'attrito che si sviluppa a livello della superficie di contatto sci-neve soggetto a variazioni in funzione del tipo di neve. Il passaggio da unaneve pi veloce ad una pi lenta produrr un rallentamento degli sci,facendo percepire allo sciatore una forza che lo spinge in avanti.


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Forze inerziali e attritoLa sensazione di

sbilanciamento longitudinalederiva dalla variazionesubita dalla direzione dellaretta lungo la quale si trovala risultante della sommadella reazione vincolare con

la forza di attrito.Nello scivolamento inequilibrio (cio a velocitcostante) non consideriamoil valore dell'attrito in quantoviene bilanciato dalla forza

che determina il moto. Ilverso assegnato all'attritonel caso di una suadiminuzione rappresenta ladifferenza tra il valoreiniziale e quello finale.


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Forze inerziali e sistemi di riferimento

sistema 1 - Maestro di sci che guarda l'allievo:

Il maestro fermo, l'allievo si muove. Il maestro vede solamente forzereali: gravit, attriti, reazioni vincolari. Questo sistema detto inerziale.

sistema 2 - Allievo che scende per eseguire l'esercizio:

L'allievo in movimento. Sente una forza, che lo spinge verso l'esternoin fase di curva, che non la gravit, non un attrito e non unareazione vincolare. Il suo sistema di riferimento e' un sistema non-

inerziale.Le forze inerziali esistono solamente quando il movimento viene descrittorispetto a sistemi di riferimento in moto accelerato.Agiscono in verso opposto a quello della forza che accelera il sistema.


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Equilibrio sul piano inclinato

L'EQUILIBRIO E' STATICO ED E' RAGGIUNTOATTRAVERSO L'INTERVENTO DELL'ATTRITOTRA LA SUOLA DELLE SCARPE ED IL TERRENO.LE COMPONENTI PERPENDICOLARI AL

TERRENO DELLE FORZE PESO E VINCOLARE SIANNULLANO TRA DI LORO

L'EQUILIBRIO E' DINAMICO. LO SCIATOREDEVE SPOSTARE IL CENTRO DI MASSA (CM)IN MODO CHE QUESTO CADA SULLAPERPENDICOLARE AL PIANO. L'EQUILIBRIO

DELLE FORZE E' OTTENUTOINTRODUCENDO UNA FORZA D'INERZIA.


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L'attrito tra lo sci e la neveSuperficie dura, neve

trasformata: deformazioneelastica

Superficie morbida, nevetrasformata: formazione di un

velo d'acqua lubrificante

Superficie dura, neve nuova

asciutta: rottura dei cristalli dineve

Superficie morbida, neve nuovaasciutta: abrasione della

superficie


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E se gli sci girassero da soli?

Immaginiamo di avere degli sci che girano da soli.Ci troviamo ad essere i passeggeri di un mezzo di trasporto che percorretraiettorie curvilinee sottoponendoci ad innumerevoli forze inerziali.L'equilibrio diventa impossibile, prima cadiamo all'indietro a causadell'accelerazione longitudinale iniziale, poi veniamo ingloriosamentesbattuti lateralmente ad ogni curva dalle forze inerziali centrifughe.

Non girare la cosa pi difficile dello sci, bens mantenere l'equilibrio;utilizzando il nostro corpo, allo stesso tempo, per imprimere le forzenecessarie a cambiare direzione e per equilibrare le forze inerzialisviluppate.

il contrastare le inerzie, giocare con esse, che ci d le sensazionipiacevoli dello sci, al pari di ci che proviamo sulle montagne russe o inmotocicletta.


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Dinamica del cambiamento di direzioneIl cambiamento di direzione avviene in seguito all'azione di una forza (reale) agente

perpendicolarmente alla direzione del moto.Questa forza deve essere una forza reale. Nel caso dello sci questa forza provienedalla reazione vincolare della neve sullo sci messo di spigolo. Questa forza diretta verso l'interno della curva; si chiama Forza centripeta.

La componenteparallela al pendioproduce la forza

reale chepermette il

cambiamento didirezione.

Forza centripeta


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Il comportamento dell'attrezzo

Le propriet geometriche e meccaniche dell'attrezzo condizionano le azioninecessarie all'ottenimento dell'equilibrio dinamico. Le principali caratteristiche diuno sci da discesa sono:

il profilo laterale (sciancratura), determinato dalle larghezze in punta, alcentro ed in coda; la centina, ovvero l'arco che forma quando appoggiato scarico su un piano; la forza necessaria per annullare la centina, legata alle propriet elastichelongitudinali; la resistenza alla torsione (elasticit trasversale);

la velocit di smorzamento delle vibrazioni; l'efficacia della trasmissione del carico alle lamine.


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Una curva ideale senzasbandamento puessere eseguitasfruttando unicamente lecaratteristichedell'attrezzo.


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Distribuzione del carico sullo sci


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In un qualsiasi moto curvilineo la forza inerziale centrifuga sempre uguale a:F

cf= mv2/R

Conseguentemente l'inclinazione del CM richiesta per bilanciare la forza centrifugadifferisce dal valore dell'angolo di spigolo richiesto dalla sciancratura per realizzareuna curva con quel raggio. Ne segue che angolo di spigolo e angolo di angolazionedel CM sono due quantit legate ma non coincidenti.

Forza centrifuga


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Dinamica della conduzione: equilibrio dei momenti

S i hi


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Sovraccarichi

Di i d ll


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Dinamica dello spazzaneve

Nello spazzanevecentrale le

reazioni vincolaridel terreno a

carico dei due scisono uguali

Lo sci conminore presa di

spigolodetermina una

minorecomponente

centripeta, percui si genera

una forzaperpendicolare

al moto

Ciclo Azione Effetto


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Ciclo Azione-Effetto

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