Удивительная стратегия, позволяющая пробежать самый быстрый марафон

Эксперты по аэродинамике расходятся во мнениях относительно оптимальной формы для снижения сопротивления: Что лучше - V или рыба-меч?

Отредактировано 2023-08-26
Бегуны образующие V-образную форму с марафонцем Элуидом Кипчоге сзади на дороге у деревьевЭлиуд Кипчоге (слева в белом танке) за пейсмейкерами, образующими аэродинамическую V-образную форму в 2019 году.

В 2019 году кенийский бегун на длинные дистанции Элуид Кипчоге стал первым человеком, пробежавшим марафон менее чем за два часа. Это достижение имело почти мифический статус - по прогнозам некоторых физиологов, оно находилось на грани возможностей человеческого организма. Но в течение нескольких лет, предшествовавших подвигу Кипчоге, он и другие элитные спортсмены все больше сжимали время своего марафона. Наконец, четыре года назад на несанкционированных соревнованиях по плоской шестимильной петле в Вене Кипчоге с рекордной скоростью преодолел 26,2 мили за 1 час, 59 минут и 40 секунд.

Официально двухчасовой марафонский барьер не преодолен, согласно данным организации World Athletics, занимающейся регистрацией забегов. Во-первых, в соревнованиях Кипчоге не было других участников. Кроме того, он был не один. Он бежал в стае с несколькими бегунами-экспертами, известными как пейсеры или "кролики", создавая вокруг себя аэродинамическую форму. Испытания в аэродинамической трубе и компьютерное моделирование помогли команде разработать оптимальную форму: Пять пейсмейкеров, расположенных впереди, образовывали V-образную форму, как обратная стая гусей, а два дополнительных бегуна бежали чуть позади марафонца, по левому и правому флангам. После каждого круга "пейсмейкеры" менялись местами и переходили на новый этап. Благодаря такой защите от встречного ветра Кипчоге преодолел дистанцию более чем на минуту быстрее, чем когда-либо.

Но, как оказалось, для марафонского бега может существовать еще более совершенная форма тяги - так утверждает группа исследователей из Центральной школы Лиона (Франция), которые недавно испытали различные формы, поместив миниатюрные манекены в аэродинамическую трубу. Они предложили схему, несколько напоминающую тело рыбы-меч, которая позволяет снизить силу сопротивления, действующую на бегуна, на 60%. По их мнению, это позволит преодолевать марафонские дистанции примерно на минуту быстрее, чем в Vienna V. Используя форму рыбы-меч, "возможно, удастся пробежать самый быстрый марафон в истории", - пишут авторы исследования в статье, опубликованной недавно в журнале Proceedings of the Royal Society: A.

Однако ученые, которые помогали разрабатывать и проверять эту нашумевшую конфигурацию 2019 года, оспаривают это утверждение, ссылаясь на недостатки новой аэродинамической трубы и пропорции мини-модели, использовавшейся для ее изучения. "В самой статье показаны огромные различия между нынешними результатами и результатами предыдущих исследований, - говорит Берт Блокен, профессор гражданского строительства в KU Leuven (Бельгия), который использовал компьютерное и аэродинамическое моделирование для анализа снижения сопротивления в венском забеге. В то время как в статье Proceedings указывается, что V-образная форма снижает сопротивление на 50%, Блокен говорит, что в предыдущих работах этот показатель был ближе к 85%.

Преимущества марафонских формирований здесь не оспариваются. Исследователи в области аэродинамики согласны с тем, что стаи дают преимущество перед одиночными забегами, особенно в том темпе, в котором бегут элитные спортсмены. Сила сопротивления, действующая на объект, пропорциональна квадрату скорости объекта, - отмечает Пьетро Салиццони, профессор механики жидкостей и автор нового исследования. Другими словами, чем быстрее вы едете, тем сильнее встречный ветер. При неспешной прогулке эти помехи практически не заметны. Но при той скорости, с которой Кипчоге бежал для установления своего рекорда - в среднем 4,5 минуты или 13 миль в час, что большинству людей кажется спринтерским бегом, - выталкивание воздуха с дороги становится в буквальном смысле слова тягостным.

Оранжевые фигурки, имеющие V-образную форму.Блокен и его коллеги проверили эти видеозаписи, отсканированные с марафонцев, в аэродинамической трубе. KU Leuven

По словам Блокена, в случае Вены на V-образную форму стаи указывают три исследования: проведенные британской консалтинговой компанией испытания 110 образований с использованием гидродинамического моделирования; собственное компьютерное моделирование его командой 15 образований; и эксперименты в аэродинамической трубе с 10 образованиями. (Оговорки о конфиденциальности со стороны INEOS, британской химической компании, спонсировавшей забег Кипчоге, означают, что эти отчеты не были опубликованы). "Все три подробных предыдущих исследования дали один и тот же результат, - поясняет Блокен: Конфигурация с "V-образной формой перед спортсменом и двумя бегунами за ним" давала наименьшее аэродинамическое сопротивление.

Салиццони и его соавторы независимо друг от друга испытали восемь форм, включая V-образную форму INEOS, установив неподвижные 6,5-дюймовые манекены в закрытой аэродинамической трубе. Их целью было измерить сопротивление воздуха, пропорциональное тому, которое испытывает марафонец. В конечном итоге они также обнаружили преимущество размещения двух пейсмейкеров сзади. Сила, действующая на бегущую цель, "складывается из давления спереди и сзади", - отмечает Салиццони, - поэтому размещение сзади помогает минимизировать любые перепады давления. Вы хотите контролировать создаваемое вами волнение, - говорит он, - по аналогии с задними крыльями на болидах "Формулы-1".

Диаграмма формы бега рыбы-меч.Вид сверху, где синим цветом показаны места расположения шагоходов, а красным - спортсменов-мишеней, для трех вариантов формирования "рыбы-меч". (Измерения даны в масштабе 1/10, в сантиметрах.) Marro et al. Proc. R. Soc. A

В чем новые результаты существенно отличаются, так это в расположении шагоходов впереди. Команда Салиццони пришла к выводу, что наиболее эффективной является форма профиля рыбы-меч: одинокий пейсер, за ним четыре других пейсера, образующих тонкий ромб в четырех футах позади, и, наконец, целевой спортсмен менее чем в пяти футах за задней частью ромба. Более узкий клин" в такой форме может позволить бегунам "как бы рассекать воздух", - сказал Science News физиолог Роджер Крам из Университета Колорадо в Боулдере, который не входил в исследовательскую группу.

Блокен по-прежнему не убежден в этом и утверждает, что манекены команды были неправильно пропорциональны. "Модель, использованная в исследовании настоящих авторов, похоже, представляет собой что-то вроде маленькой мультяшной модели, которая сильно отличается от геометрии реального человеческого тела", - говорит он, имея в виду нереалистичное соотношение груди и живота и острые края позиционируемых суставов моделей. В исследованиях Блокена использовались гладкие и твердые манекены, созданные на основе сканов реальных людей-марафонцев.

Пластиковые ролики, используемые для тестирования марафонской формации.Позиционируемый манекен, используемый для тестирования восьми формаций вытяжки. Marro et al. Proc. R. Soc. A

Салиццони утверждает, что их фигурки имеют "эквивалентную площадь и эквивалентную форму" спортсмена, и что использование подвижных моделей позволяет получить более точные данные. Ведь у человека в движении руки и ноги не зафиксированы на месте. По словам Блокена, "это все еще может дать реалистичный результат для одиночного бегуна", но он отмечает, что текучая динамика формаций гораздо более чувствительна к тонким изменениям. В действительности, как отмечал в свое время журнал New Yorker, конфигурация для забега 2019 года была настолько точно подобрана, что если Кипчоге сдвинется с места на пять сантиметров, то он будет гораздо больше подвержен аэродинамическому сопротивлению.

Возможно, пройдет некоторое время, прежде чем лучший марафонец подвергнет испытанию еще один стайерский забег. Кипчоге обычно участвует только в двух марафонах в год. Второй его забег в 2023 году состоится в сентябре в Берлине, где в 2022 году он официально установил мировой рекорд - 2:01:09 без помощи стайеров.