Pohupováním po hladině vpřed  
Vrcholí léto, teplotní třicítky lákají k vodě. Jestli máte kánoe, surfové prkno nebo paddleboard a zvídavou povahu, můžete zkusit, jestli plavidlo přinutíte plout i bez pádla či plachty. A ne silou rukou, nýbrž nohou. Vědci nabízejí fyzikální vysvětlení, jak to funguje.

Dítě jednoho z autorů fyzikálního modelu gunwale bobbing předvádí metodu pohybu pohupováním vpřed v praxi. Kredit: Benham, Graham P. et al, Phys. Rev. Fluids, 2022 (https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevFluids.7.074804)
Dítě jednoho z autorů fyzikálního modelu gunwale bobbing předvádí metodu pohybu pohupováním vpřed v praxi. Kredit: Benham, Graham P. et al, Phys. Rev. Fluids, 2022

Schopnost doplout do cíle pomocí pohupování se může hodit například v situaci, kdy vám uplavalo pádlo. Technika není složitá, až na balanc. Vyžaduje totiž rozkročmo se postavit na okraj (límec) zadní části kánoe, přibližně v místě kapitánova sedátka. Tím se příď mírně zvedne, protože jste těžiště posunuli ze středu v případě prázdné lodě směrem k zádi. Když pak "kanojku" vhodnou frekvencí v předozadním směru (ne do stran) rozhoupete, můžete dosáhnout rychlost, kterou byste asi neočekávali – na klidné hladině bez silnějšího proudu asi metr za sekundu. Chce to však cvik.

 

Jestli se vám zdá, že s vědou to má pramálo společné a na stránku Osla nepatří ani v sezoně okurek, mýlíte se. Pohyb, jenž někteří kanoisté a paddleboardisté dávno znají, a který se v angličtině označuje pojmem „gunwale bobbing“ (houpání okrajem - límcem lodě), zaujal i čtveřici fyziků ze známých institucí – britské Cambridgeské univerzity, francouzské Pařížské univerzity a kanadské Torontské univerzity. Fyzikové odvodili první hydrodynamický model tohoto způsobu houpavého plutí a jeho popis zveřejnili v časopisu Physical Review Fluids. Článek vyšel i na arXiv, kde je volně dostupný.


Lépe než jakákoli slova zdlouhavého vysvětlování metodu dokumentuje následující video, v němž fyzikální vysvětlení nabízí jeden z autorů, Jerome Neufeld z Univerzity v Cambridgi. Překlad mluveného slova je pod videem.


Ale předem bezpečnostní upozornění: Než se k pokusům rozhodnete, uvědomte si, že když se v poměrně vratké kánoi nebo na prkně postavíte, zvednete těžiště, snížíte stabilitu. A jestli si zrovna nerozumíte s rovnováhou, pravděpodobně se neplánovaně vykoupete. Nekoordinovaný pád přes hranu loďky nebo prkna nemusí být bezbolestný, proto, i když se ve vodě cítíte jako ryba, plovací vesta je při takových pokusech velmi vhodným doplňkem.


Video: Surfování na rovné hladině pohupováním lodě

.

Překlad:

Když bouře v zimě narazí na pobřeží, ve vodních vlnách je obrovské množství energie. Tyto vlny mohou zapříčinit obrovskou erozi. Podobným způsobem můžeme tyto vodní vlny využít jako zdroj obnovitelné energie pro naše domy, auta, města. Ale existuje i zábavnější aplikace, kdy můžeme energii vln využít k pohonu, k naší vlastní dopředné rychlosti, naší vlastní kinetické energie když surfujeme. Otázkou tedy je, zda můžeme využít energii vlnového pole, které sami vytváříme na klidné vodní hladině, jaká je například na říční přehradě, k pohonu, k vlastnímu pohybu vpřed. To je mechanismus zvaný gunwale bobbing. Tímto problémem jsme se zabývali Graham Benham, Olivier Devauchelle, Stephen Morris a já. Všechno to začalo na letní dovolené na jezeře Musselmann (?) severně od Toronta v Kanadě. S rodinou jsme si hráli na paddleboardech a kánoích. Ukázalo se, že když budete skákat na zadní části pádlovacího prkna nebo kánoe, vytváříte vlastní vlnové pole. A když skáčete se správnou frekvencí, můžete vyvinout vlastní dopřednou rychlost až metr za sekundu. Jak to vlastně funguje? No, když pozorujete kachnu nebo člun, který plave na vodě, všimnete si, že ta kachna nebo člun generují vlastní vlnové pole. A toto vlnové pole odnáší energii z plovoucí kachny, motorového člunu nebo kánoe do dálky. Část této energie však můžete využít k vlastní dopředné rychlosti. Chviličku se zamysleme nad tím, jako vlnové pole funguje. Kdybychom loď zatlačovali a zvedali jen nahoru a dolů, vytvořili bychom symetrické vlnové pole, které by se šířilo všemi směry stejným způsobem. Toto vlnové pole bude vyzařovat energii, ale nebude vytvářet vaši dopřednou rychlost.

 

Podobně kdybychom s ní kolébali dopředu a dozadu, také bychom generovali symetrické vlnové pole, a také bychom nedosáhli dopředný pohyb. To, co skutečně potřebujete, je obojí – zvedání a klesání i kolísání. Kombinací pohupování a kolísání můžete dosáhnout skluz po sklonu poslední vlny stejně jako surfař. Na vrcholu vlny jste tlačeni dolů po sklonu vlny a vy se po ní svezete směrem dopředu. Jak vidíme na tomto záběru z vrcholu mostu Trinity Bridge, když skočíte na zádi kánoe, vyšlete vlnové pole šířící se převážně do stran a zhoupnutím na vrcholu předcházející vlny jste schopni surfovat dopředu rychlostí až metr za sekundu. Nyní se možná ptáte, jak tuto teorii uplatnit. Pohyb vpřed u většiny lodí neřídíte skoky na zádi, abyste vytvořili vlnové pole. Při pádlování se však pohybujete nahoru a dolů a vytváříte vlastní vlnu. Otázka je tedy určena pro olympijské kanoisty a veslaře, jestli jsou schopni využít toto vlnové pole, energii vlny, kterou sami tvoří, aby získali tři procenta účinnosti navíc a mohli jet o něco rychleji.

 

Literatura: University of Toronto News, Physical Review Fluids, arXiv



Datum: 05.08.2022
Tisk článku

Související články:

Poodhalené tajemství papouščí inteligence     Autor: Dagmar Gregorová (08.07.2018)
O zlaté rybce     Autor: Dagmar Gregorová (10.01.2022)
Prapodivný let pidibroučka     Autor: Dagmar Gregorová (21.01.2022)



Diskuze:

Vinkler Slavomil,2022-08-06 07:55:02

Podle mého se jedná o využití rezonance vzoru houpačka, kdy ve vhodném okamžiku se přesouvá těžiště. Dupání na prkně sežere velké množství energie, pro závodníka je to neefektivní námaha.

Odpovědět


Re:

Vinkler Slavomil,2022-08-06 11:10:02

A doplnil bych to ještě o efekt rybího ocasu. Máte-li plochu, která se pohybuje, podle zákona akce a reakce na ni působí síla kolmá na plochu. Pokud je loď nesymetrická, tj. stojí se vzadu, je zde strmější a síla má větší vodorovnou složku a tak vpředu je menší vodorovná síla než vzadu. No a proto v symetricky ponořené lodi závodník nic moc nevyužije.

Odpovědět


Re: Re:

Florian Stanislav,2022-08-06 13:49:10

Nerozumím.
Síla akce a reakce ( síly opačné, stejně velké, výslednice není nulová, protože působí na různá tělesa). Jinak řečeno reakce působí proti síle ( změně), která ji vyvolala.
Takže s tvarem tělesa a kolmicemi k ploše reakce nemá nic společného.
Jestliže se loď pohybuje, působí odpor prostředí silou, která zvedá příď, což je známo u vodních motorových kluzáků, kde hrozí převrácení.
Ve stejném smyslu je i odraz placáků hozených do vody.
Plovoucí předmět jakéhokoliv tvaru je nadlehčován podle Archimedova zákona, výsledná nadlehčující síla je přesně proti gravitaci, takže plovoucí těleso se nikam do strany nepohybuje.
Efekt rybího ocasu a pohybu živočichů ve vodě je dán rychlým mávnutím ploutví a pomalým návratem zpět.

Odpovědět


Re: Re: Re:

Gábor Vlkolinský,2022-08-07 11:32:00

To by ryby museli mať dva ocasy. Nejde jedným ocasom mávať súčasne rýchlo aj pomaly.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re:

Florian Stanislav,2022-08-07 15:14:21

Ryby zjevně plavou dobře a mají ocas jeden.
Pomalu zakroutí vpravo a pak prudce mávnou zpět do rovné polohy.
Pak pomalu zakroutí vlevo a pak prudce mávnou zpět do rovné polohy.
Takže pomalu a rychle není současné.
Stejně tak plavec (styl prsa), prudce zabírá dozadu a pomalu vrací ruce dopředu. Stejně tak nohy.
Zřejmě jste měl na mysli, že nejde jednou hlavou současně myslet rychle i pomalu.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re:

Gábor Vlkolinský,2022-08-07 19:46:40

To by som rád videl spomalene ako rybe pri úprku spomaľuje ocas uprostred pohybu. Musíte mať veľmi zvláštnu hlavu.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re:

Florian Stanislav,2022-08-07 21:45:38

Při mrsknutí zprava doleva nejenže za půlkou zpomalí, ale v krajní poloze úplně zastaví a změní směr.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re:

Gábor Vlkolinský,2022-08-08 07:14:07

Píšete, že uprostred spomalí. Pri zmene smeru pohybu musí spomaliť prirodzene, to netreba vysvetľovať.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re:

Z Z,2022-08-08 09:32:38

Rýchly pohyb zadnej plutvy vtedy, keď je s telom vodorovne, by totiž spôsoboval hlavne "mykanie" zadnej časti ryby do strany a nie akceleráciu vpred. Ak by ste na člne vzadu hýbali veslom zboka nabok, tak by ste ho tým tiež nerozhýbali.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re:

Z Z,2022-08-08 10:35:25

Okrem toho musí uprostred spomaliť na to, aby sa pohyb plutvy smerom do boku mohol spomaliť, ako písal Florian Stanislav. Inak by zadná plutva rybu brzdila. Pomalší pohyb plutvy do strany a rýchlejší na jej vyrovnanie asi nebude až tak spôsobený úmyselnou činnosťou ryby ale skôr stavbou jej tela, ktorá to spôsobuje.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re:

Z Z,2022-08-08 03:28:00

Ak by zadná plutva ryby nespomaľovala a nezrýchľovala, tak by to už nebola plutva, ale lodná skrutka -:)

Odpovědět


Re: sonance

Josef Hrncirik,2022-08-10 09:08:03

Odposlechy z akcelerometrů mobilů hovoří jasně. Kanoe jako vibrátor má vlastní frekvenci (resonanci cca 1 Hz) viz fig. 3 článku a hlavně fig. S3 supplementu se stejným figurantem a různými mobily. Zdá se, že po celou směnu by bičovaný figurant mohl vibrovat 1 Hz a dosahovat průměrně maximálního zrychlení cca 0,3 g, tj. 3 m/s2. Do jiné frekvence při využitelné amplitudě by kánoi mohl rozvibrovat snad jen slon nebo zhutňovač zeminy.
Z udaných rozměrů plyne plocha ponořovaného dna cca 2,2 m2 a z toho tuhost vyvolaná zanořováním vibrátoru cca 22 kN/m. Při hmotnosti (lodi s figurantem) 100 kg by tomu odpovídala úhlová rychlost cca 2,36 rad/s, tj. frekvence 0,4 Hz.
Problém je v tom, že fyzikové mířící na sponzory olympijské kanoistiky, dodali rozměry závodní cánoe, nikoliv ve fig. S2 použitého člunu Charónova s použitým nebohým Jerome ve značně obnošeném závodním dressu z dob bohatýrského mládí.
Akcelerometr z mobilu nedbale odloženého ?na zádi, prozradil na Jeromeho, že při frekvenci 1 Hz odpovídající vlastní tuhosti oscilátoru 4 kN/m při max. zrychlení cca 3 m/s2, tj. síle 300 N, se kmit zastavil při amplitudě cca 300/4000=7,5 cm po vykonání práce přenesené do vody cca 11 J. Protože Jerome nestál na tensometru a nebyl ověšen akcelerometry a nebyla ani měřena jeho spotřeba kyslíku, těžko říci, jakou vlnovou práci vlastně vykonal. Měli změřit aspoň náběh amplitud po startu a hlavně jednodušeji doběh po vypnutí Jeromeho.
Zřejmé je pouze, že během 1 periody Jerome vykonal do osy z ?mnohem menší vlnovou práci než 44 J.
God save the Queen!

Odpovědět


Re: Fšichni sou u s toho velmi rozkolísaní. Jak s toho ven?

Josef Hrncirik,2022-08-10 13:31:07

Zřetelné Ó Mega kousek nad posledním vírem za zádí (těsně před vrcholem vlny za zádí) ve fig.1 řve na každého kanoistu sprostěji než trenér, že: surva píčing je rotace (ha, ha, jen kmity) ?(kolem ?kde si (asi zhruba těžiště), přičemž oproti prostému houpání prosťáčků je posunuto o +90°. Tlaky z píčingu a hívingu mají být stejné. Potom je trust maximální. Tak to vyšlo po několika transformacích z hamiltoniánu. Ideální píčing vychází přímo z špičky a má bezrozměrnou frekvenci F=0,3; híving 0,42 (uvedeno pod r. S67). Ideální frekvence jsou tedy z r.1b : ?4,8 Hz; 3,4 Hz. Na to Jerome zatím nemá.
Přehlednější ale jen velmi méně rozpačitý je výpočet odporu proti plavbě kombinací S62-3 a transformace sil nad r.2.
Vyjde 12 N kupodivu jen z viskózního tření povrchu a o vlnovém odporu ?pro jistotu nebyla ani zmínka, přesto, že vlnové pole bylo ukotveno i trojnými integrály.
Velikost, rychlost vln či energie vyzářená ?kmitem nikde.

Odpovědět

v čem se asi fyzikové mýlí

Dagmar Gregorová,2022-08-06 05:13:05

krátké video
https://www.youtube.com/watch?v=XK45Db0R3b4&ab_channel=VajdaTeam
s perfektní prezentací pohybu rychlostního kanoistu napoví, proč vlastní vlny na zrychlení pohybu závodní kanoisté nevyužijí. Sice mají těžiště vysoko, protože v lodi klečí, jenže ho neposouvají k zádi, ale zachovávají střed, jako ho má prázdná loď. Jinak by s nadzvednutou přední části lodě čelili většímu odporu. A sice kanojkou "pumpují", protože tělo předklánějí a vystírají - ale je to spíše nežádoucí jev (to pravidelné mírné ponoření lodě při každém záběru), a jak konstrukce lodě, tak technika pádlování se ho snaží eliminovat, nebo alespoň jeho důsledky. Vlastní vlny se šíří od lodě do stran (za lodí), ale pod lodí téměř ne (voda je nestlačitelná - teoreticky). Si myslím...

Odpovědět


Re: v čem se asi fyzikové mýlí

Florian Stanislav,2022-08-06 10:27:11

Na videu se klečící kanoista natahuje dopředu, jak se říká -jdi si pro vodu, takže posun těžiště dopředu dozadu je značný. Bez tohoto dopředného natažení se pro záběr dopředu mu to nepojede, takže nějaká 3% energie z pohupování jsou k ničemu.
Kdo jel na říční dvojkánoi sám , tak ví jak špička lodi lítá nahoru, dolů a vpravo, vlevo, pokud se nedělá dobře krátký proti záběr na vyrovnání směru.
Myslím, že princip pohonu houpáním v kolenou není založen na to, se strefit do frekvence vln, vlny primárně vytváří loď sama. Což je v podstatě řečeno i na videu. Špička lodi (nebo placky na obr. https://www.osel.cz/popisek.php?popisek=34792&img=1-gunwale-bobbing_1.jpeg) se zvedá silou reakce na sílu akce odrazu nohou od kánoe. Frekvence je dána tím, jak se stačí vlivem gravitace špička lodi vrátit dolů. Záběr je v okamžiku, kdy špička lodi je dole. Loď se špičkou dole samotná (v místě, kde stojí pohupovač), má těžiště nejvýš, protože pohupovač před tím padal dolů s povolenými koleny, tedy podstatně snížil zatížení lodi v místě dotyku s ní. Trochu jako volný pád.
Loď má kýl, prkno kormidlo. Kolébáním se voda od kýlu nebo kormidla odráží a loď plave cik zak jako plachetnice proti větru.
Houpání se na houpačce ve stoje s pokrčováním kolen se naučí dítě za chvíli, vliv proudění vzduchu je zanedbatelný, jde tedy také o změnu výšky těžiště.
U lodi ( prkna) jde i to, že samo nalezení na prkno a přesun do zadní části vyvolá výchozí zvednutí přední části a zakolébání.
Loď jede dopředu, vlny musí jít dozadu, jinak než silou akce a rekce to nelze.

Odpovědět


Re: V čem se fyzikové mýlí. Ani fyzicky obdařený nadopovaný canoista z Cam, se ani po Fourierovské trans formaci před závody Cam - Ox nedokáže vozit jako Schroedingerova kachna na Své rázové vlně, která ho vždy zlomyslně předjede.

Josef Hrncirik,2022-08-08 08:56:10

..." kdybychom s ní kolébali dopředu a dozadu, také bychom generovali symetrické vlnové pole, a také bychom nedosáhli dopředný pohyb. To, co skutečně potřebujete, je obojí – zvedání a klesání i kolísání.
Kombinací pohupování a kolísání můžete dosáhnout skluz po sklonu poslední vlny stejně jako surfař. Na vrcholu vlny jste tlačeni dolů po sklonu vlny a vy se po ní svezete směrem dopředu."...
Sútra Káma však již pradávno ví, že při větším hydrodynamickém odporu na zádi než na přídi nutně pojedete vpřed vpřed.
Fyzikové z Cam tentokrát prohráli o parník. Požili jen 1 akcelerometr, ani nepublikovali v které ose a zda na figurantovi nebo gun boatu.

Odpovědět

Jako při plavání styl prsa

Florian Stanislav,2022-08-06 01:32:10

Prudký záběr nohou dolů stlačí loď skoro kolmo proti vlně a udělí jí rychlost dopředu. Pomalý návrat nohou a lodi do původní pozice se děje gravitací a za menšího odporu vody.
Odpor prostředí závisí na v^2 ( ró je hustota vody)
F=1/2*C*ró*S*v^2

Odpovědět


Re: Jako při plavání styl prsa

Josef Hrncirik,2022-08-09 21:33:48

Již Iccik ve své učebnici plavání: "Principia ... " píše.
Jakou silou působíte na H2O, takovou přesně opačnou Vás omočí, item i u impulzu a nemlich hybnosti.
Pokud chcete plavat vpřed, žeňte za sebe velká množství H2O velkou rychlostí. Hnáty vracejte pokud možno vzduchem, vodou pochopitelně pomaleji a s menším průřezem než při hnacím záběru.
Rozdíl hybností reakcí H2O Vás při troše štěstí udrží nad H2O a někam požene.

Rozvibrujete-li stojíce na zádi dělového člunu tuto motorovým dusadlem zeminy, nebo alespoň poskakováním v rytmu podélných vlastních kmitů lodi, lze zanořováním a vynořováním především se nejvíce pohybující zádi vyvolat vznik vln od ní se šířících, zejména pokud bylo těžké dusadlo přímo nad prachárnou.
H2O odcházející jako vlny nese hybnost. Hybnost odnášená od zádi je mnohem větší než mířící k přídi (jednak rozkmit je u přídě mnohem menší, ev. tok H2O vyvěrající jako vlny u přídi je malý, protože musí rozhýbat mnohem delší kus H2O. Napříč se to symetricky vyruší. Doporučuji kevlarové přilby, plovací vesty a žvýkací tabák.

Trust in God, but keep gun powder on gun boat of Her Majesty Queen dry!

Odpovědět


Alternativci mohou při zhoupnutí se tělem vpřed zablokovat zpětný pohyb lodi vzpříčením kormidla a naopak jeho uvolněním při pohybu tělem vzad umožní plavbu vpřed. Prostě opisujte od ryb. Mrskněte tím líným pozadím.

Josef Hrncirik,2022-08-09 21:59:47

Odpovědět


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce







Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace