Στο ταρτάν του στίβου: τεχνολογία για δρομείς Understand article

Μετάφραση από τη Σεβαστή Μαλάμου (Sevasti Malamou). Όταν παρακολουθούμε κορυφαίους δρομείς να καταρρίπτουν παγκόσμια ρεκόρ, σπάνια σκεφτόμαστε τη χημεία και φυσική των…

Σχήμα 1: Το Ολυμπιακό
Στάδιο Ζοάο Χαβελάνζε
(Joao Havelange) στο Ριο ντε
Τζανέιρ, το οποίο θα
χρησιμοποιηθεί στους
Ολυμπιακούς Αγώνες του
2016

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Andrew
Hecker; Πηγή εικόνας:
Wikimedia Commons

Αυτή τη χρονιά, οι Ολυμπιακοί Αγώνες θα δώσουν στους κορυφαίους αθλητές του κόσμου άλλη μια ευκαιρία να αποδείξουν τους εαυτούς τους και να συντρίψουν τα ρεκόρ στις εκδηλώσεις του Ρίο ντε Τζανέιρο στη Βραζιλία. Μαζί με την προπόνηση, τη φυσική κατάσταση και το απόλυτο ταλέντο, οι συναγωνιζόμενοι έχουν ακόμη έναν παράγοντα που τους βοηθά στο να πετύχουν: την τεχνολογία.

Για τους δρομείς, είναι κατά κύριο λόγο οι τελευταίες επιφάνειες των ταρτάν του στίβου που θα τους επιτρέψουν να κάνουν το καλύτερο τους. Ίσως προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι ενώ οι δρομείς αναψυχής που εξασκούνται σε δρόμους και πάρκα βασίζονται στα αθλητικά τους παπούτσια, τα οποία παρέχουν την απορρόφηση κραδασμών και την ελαστικότητα που απαιτείται για κάθε βήμα, για τους επαγγελματίες δρομείς το ταρτάν του στίβου παίζει αυτό το ρόλο. Το γεγονός αυτό αντανακλά το χάσμα στα επίπεδα απόδοσης μεταξύ σχολικού και ερασιτεχνικού αθλητισμού, όπου οι άνθρωποι ασκούνται για διασκέδαση ή για τη φυσική τους κατάσταση και των κορυφαίων επιπέδων ανταγωνιστικών αθλημάτων. Οι ενέργειες που εμπλέκονται στην επιτάχυνση, την επιβράδυνση, το άλμα και ούτω καθεξής είναι εμφανώς διαφορετικές: Μια Ολυμπιακή σπρίντερ που τρέχει σε μέγιστη ταχύτητα πιθανότατα θα τραυματίσει τον εαυτό της σε ένα σκληρό ταρτάν εξαιτίας την μεγάλης πρόσκρουσης στις αρθρώσεις της. Σε αντίθεση, ένας απλός δρομέας ή ένας μαθητής που φοράει παπούτσια απορρόφησης κραδασμών μπορεί να βρει το ταρτάν πολύ μαλακό.

Σχήμα 2: Μια αθλήτρια παίρνει θέση στη γραμμή εκκίνησης. Σημειώστε ότι τα παπούτσια είναι χωρίς απορρόφηση κραδασμών: σε αγώνες υψηλού επιπέδου, το ταρτάν είναι αυτό που απορροφά τους κραδασμούς κατά το τρέξιμο και όχι τα παπούτσια
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Mondo SpA

Δυνάμεις εν δράσει

Το τρέξιμο είναι στην πραγματικότητα μια σειρά ελεγχόμενων συγκρούσεων στο έδαφος, οπότε η ιδανική επιφάνεια θα πρέπει να παρέχει επαρκή απορρόφηση κραδασμών για την αποφυγή τραυματισμών (ειδικά στους αστραγάλους, στα γόνατα και στους συνδέσμους) ενώ την ίδια στιγμή παρέχει μια ισχυρή, σταθερή βάση για να επιτρέψει σε έναν αθλητή να πάρει ώθηση προς τα εμπρός.

Ας σκεφτούμε τις δυνάμεις μεταξύ του αθλητή και της επιφάνειας του δαπέδου κατά τη διάρκεια του τρεξίματος. Σε κάθε βήμα, η αθλήτρια χρησιμοποιεί τους μύες των ποδιών της (και η τριβή μεταξύ του ταρτάν και της σόλας των παπουτσιών της) για να σπρώξει ενάντια στο έδαφος. Ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα για την κίνηση μας λέει ότι:

Για κάθε δράση [δύναμη], υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση [δύναμη].

Αυτό σημαίνει πως καθώς η αθλήτρια σπρώχνει προς το ταρτάν, το ταρτάν ασκεί μια ίση και αντίθετη δύναμη στην αθλήτρια, σπρώχνοντάς της μπροστά. Αυτή συχνά ονομάζεται δύναμη αντίδρασης του εδάφους.

Ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα για την κίνηση μας λέει ότι:

Δύναμη = μάζα x επιτάχυνση

Έτσι για την αθλήτρια, όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη που τη σπρώχνει μπροστά τόσο μεγαλύτερη η επιτάχυνση της.

Σχήμα 3: Μια σπρίντερ μόλις στο ξεκίνημα του αγώνα
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του tableatny; Πηγή εικόνας: Wikimedia Commons

Ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα επίσης βοηθά να εξηγήσουμε τι συμβαίνει κάθε φορά που ένας αθλητής προσγειώνεται κατά το τρέξιμο. Όταν το πόδι χτυπάει το ταρτάν, θα επιβραδυνθεί σε ένα βαθμό μέχρι να αφήσει το ταρτάν ξανά. Όσο ταχύτερη είναι η επιβράδυνση τόσο μεγαλύτερη η δύναμη πρόσκρουσης στο πόδι. Έτσι, το ταρτάν πρέπει να εξασφαλίσει ότι η επιβράδυνση είναι αρκετά αργή ώστε να κάνει την πρόσκρουση υποφερτή, αλλά αρκετά γρήγορη ώστε να διατηρηθεί η ταχύτητα κατά το τρέξιμο. Εδώ είναι που ειδικά υλικά απαιτούνται για την παραγωγή ενός ταρτάν που δεν είναι ούτε πολύ μαλακό ούτε πολύ σκληρό.

Σχήμα 4: Το Ολυμπιακό Στάδιο του Λονδίνου με ελαστικό πολυμερές στην επιφάνεια για αγωνίσματα στίβου
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Mondo SpA

Σκληρά και μαλακά υλικά

Στην καθημερινότητα μας, συναντάμε υλικά ποικίλης συνοχής: από σκληρά, στερεά μέταλλα σε μαλακά, ρέοντα υγρά. Ας σκεφτούμε τα χαρακτηριστικά αυτά με μεγαλύτερη λεπτομέρεια.

  • Τα μέταλλα, εκτός του ότι είναι σκληρά είναι και ελαστικά υλικά. Όπως ένα ελατήριο, ένα μεταλλικό καλώδιο θα επιμηκυνθεί όταν του ασκηθεί μια δύναμη και θα επιστρέψει ξανά στο αρχικό του μήκος όταν η δύναμη αφαιρεθεί. (Αν η δύναμη είναι πολύ ισχυρή και επιμηκύνει το μέταλλο πέρα από το όριο ελαστικότητας, το καλώδιο θα παραμείνει τεντωμένο μόνιμα.) Ενέργεια αποθηκεύεται στο υλικό όταν είναι τεντωμένο και απελευθερώνεται γρήγορα όταν αυτό επανέρχεται.
  • Τα υγρά είναι μαλακά, μη ελαστικά υλικά. Ρέουν ελεύθερα αν τους ασκηθεί μια δύναμη (όπως η βαρύτητα) και δε θα κρατήσουν το σχήμα τους. Η μηχανική ενέργεια διαχέεται, αντί να αποθηκεύεται στο υλικό. Τέτοιου είδους υλικά περιγράφονται σαν ιξώδη (ή παχύρευστα).

Όπως το σχήμα 5 δείχνει, ένα απόλυτα ελαστικό υλικό (π.χ. μέταλλο ή σκυρόδεμα) θα αποθηκεύσει όλη την ενέργεια της πρόσκρουσής και θα την επιστρέψει αμέσως. Παρόλα αυτά, αυτό δημιουργεί δυνάμεις αντίδρασης εδάφους οι οποίες δεν είναι ασφαλείς για τους δρομείς: κάποια ενέργεια πρέπει να απορροφηθεί από το υλικό του ταρτάν. Ιξώδεις επιφάνειες, από την άλλη πλευρά, θα απορροφήσουν την ενέργεια πρόσκρουσης του ποδιού αλλά δεν θα επιστρέψουν τίποτα πίσω.

Μεταξύ αυτών των δύο ακραίων υπάρχουν τα ιξωδοελαστικά υλικά. Αυτά μπορούν να διαχέουν μέρος της ενέργειας πρόσκρουσης – αρκετή ώστε να προστατευθούν οι σύνδεσμοι του αθλητή – ενώ επίσης διατηρούν αρκετή ώστε να παρέχουν την κατάλληλη δύναμη αντίδρασης για να προωθήσουν τον αθλητή μπροστά.

Σχήμα 5: Το διάγραμμα δύναμης (F) – παραμόρφωσης (D) δείχνει πως τα πλαστικά (Α), ιξωδοελαστικά (Β) και ιξώδη (C) υλικά ανταποκρίνονται στις εφαρμοζόμενες  δυνάμεις
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Joao Bomfim

Γιατί τα πολυμερή μπορεί να είναι η απάντηση

Έτσι λοιπόν, που μπορούμε να βρούμε ένα υλικό με τα σωστά ιξωδοελαστικά χαρακτηριστικά; Μια σημαντική ομάδα ιξωδοελαστικών υλικών είναι τα πολυμερή – η οικογένεια των υλικών που περιλαμβάνει τα πλαστικά, τα ελαστικά και τις κόλλες. Τα πολυμερή αποτελούνται από τεράστια μόρια που περιλαμβάνουν εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες άτομα. Εξαιτίας του μεγέθους τους, τα μόρια των πολυμερών μπορούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους παρατασσόμενα σε ευθεία γραμμή και να διασυνδέονται με φυσικό τρόπο. Τα μόρια του ελαστικού είναι ειδικά γιατί παρόλο που είναι συνδεδεμένα, συνήθως δεν ευθυγραμμίζονται μεταξύ τους, παραμένοντας κάπως «χαλαρά»! Έχουν αυτό που οι επιστήμονες των πολυμερών αποκαλούν ελεύθερο όγκο. Αυτό σημαίνει ότι τα μόρια μπορούν να καμφθούν και να κινηθούν, γλιστρώντας απομακρυνόμενα από τα άλλα ή κατευθυνόμενα προς τα άλλα, επιτρέποντας στο υλικό να τεντωθεί.

Σχήμα 6: Φυσικό ελαστικό
(Α) αντιδρά με θείο(S),
έχοντας ως αποτέλεσμα το
βουλκανισμένο ελαστικό(Β)

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Joao Bomfim

Πέρα από τις φυσικές αλληλεπιδράσεις, χημικοί (ομοιοπολικοί) δεσμοί που αποκαλούνται σταυροδεσμοί μπορούν να σχηματιστούν μεταξύ πολυμερικών μορίων. Τα πολυμερικά υλικά με πολούς σταυροδεσμούς είναι συνήθως σκληρά: η εποξική κόλλα είναι ένα παράδειγμα αυτού. Σε αντίθεση, τα πιο πολλά ελαστικά έχουν ένα σχετικά μικρό αριθμό σταυροδεσμών, και έτσι είναι πιο μαλακά. Το ελαστικό μπορεί να γίνει πιο σκληρό με μια διαδικασία που αποκαλείται βουλκανισμός, στον οποίο άτομα θείου σχηματίζουν επιπλέον σταυροδεσμούς μεταξύ των μορίων (σχήμα 6).

Αν ο ελεύθερος όγκος επιτρέπει στο ελαστικό να τεντωθεί, οι δυνάμεις και οι αναμείξεις μεταξύ των μορίων του πολυμερούς, ιδιαίτερα των σταυροδεσμών, θα τα επαναφέρουν πίσω στις αρχικές τους θέσεις, δίνοντας στο ελαστικό την ελαστικότητα του.

Σχήμα 7: Πεταμένα λάστιχα
τα οποία περιμένουν να
ανακυκλωθούν ή να
αποτεφρωθούν

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Mark
Buckawicki; Πηγή εικόνας:
Wikimedia Commons

Η δουλειά του χημικού πολυμερών είναι να ξέρει πώς να επιλέξει τα κατάλληλα υλικά και τις συνθήκες επεξεργασίας για μια συγκεκριμένη χρήση, όπως για παράδειγμα στα ταρτάν του στίβου. Πέρα από την επιλογή του σωστού ελαστικού με τον κατάλληλο αριθμό σταυροδεσμών, ένας χημικός πολυμερών πρέπει να δώσει προσοχή στα σωστά αντιοξειδωτικά, ώστε τα ταρτάν να μην αλλοιωθούν. Η θερμότητα και η ακτινοβολία UV από την έκθεση στο ηλιακό φως και τις καιρικές συνθήκες είναι γνωστό ότι προάγουν τις χημικές αντιδράσεις. Αυτό συμβαίνει γιατί η διαδικασία σκλήρυνσης (από τον βουλκανισμό, τη γήρανση και τις καιρικές συνθήκες) στην πραγματικότητα ποτέ δε σταματά. Χωρίς τα σωστά αντιοξειδωτικά για να εμποδίσουν τον επιπλέον σχηματισμό σταυροδεσμών, ένα ταρτάν στίβου θα γινόταν σκληρό και θα έχανε τις ιδιότητες απορρόφησης κραδασμών, συμπεριφερόμενο ολοένα και περισσότερο σαν ένα πλήρως ελαστικό υλικό, μέχρι οι δρομείς να αισθάνονται σαν να τρέχουν πάνω σε σκυρόδεμα.

Σχήμα 8: Μια επιφάνεια
παιδότοπου που
αποτελείται από
ανακυκλωμένο ελαστικό

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Oxyman; Πηγή
εικόνας: Wikimedia Commons

Άλλη μια πολύ σημαντική συμβολή της επιστήμης στα ταρτάν στίβου συνδέεται με περιβαλλοντικές ανησυχίες και την ανακύκλωση. Όντως, πολλά ταρτάν χρησιμοποιούν ανακυκλωμένο ελαστικό στη σύνθεση τους. Είναι ένας έξυπνος τρόπος μείωσης των απορριμμάτων που καταλήγουν στο έδαφος ή αποτεφρώνονται. Τα λάστιχα είναι σκληρά και εύκαμπτα – πρέπει να υποστηρίξουν το βάρος ενός αυτοκινήτου και πρέπει να μην σπάσουν ακόμη και αν χτυπήσουν το κράσπεδο του πεζοδρομίου ή μια τρύπα στο δρόμο. Τα παλιά λάστιχα μπορούν να αλεστούν σε θρύμματα, να καθαριστούν και να ενσωματωθούν στο κατώτατο στρώμα ενός ταρτάν, το οποίο δεν είναι ορατό και δεν έρχεται σε επαφή με τους αθλητές. Το ελαστικό των λάστιχων έχει εξαιρετικές ιξωδοελαστικές ιδιότητες και, όταν συνδυάζεται με νέο ελαστικό υλικό στην επιφάνεια του ταρτάν το οποίο το προστατεύει από την οξείδωση, μπορεί να δώσει ένα ασφαλές και γρήγορο ταρτάν στίβου. Όντως, ελαστικό από θρύμματα λάστιχου αυτοκινήτων ήδη χρησιμοποιείται σε πολλούς παιδότοπους σαν ένα ασφαλές, απορρόφησης κραδασμών δάπεδο που προστατεύει τα παιδιά όταν πέφτουν. Σε μεγάλο βαθμό κατά τον ίδιο τρόπο, προστατεύει τους κορυφαίους αθλητές ενώ αυτοί βάζουν τα δυνατά τους να καταρρίψουν παγκόσμια ρεκόρ. Έτσι όταν παρακολουθείς αθλητές να συναγωνίζονται στους Ολυμπιακούς Αγώνες αυτό το καλοκαίρι, μπορείς να εκτιμήσεις την επιστήμη πίσω από αυτά τα χρυσά μετάλλια.

Download

Download this article as a PDF

Resources

  • Για να μάθετε περισσότερα για την ιστορία της τεχνολογίας των ταρτάν του στίβου, δείτε:
  • Για ένα βίντεο σχετικά με την αύξηση στην ταχύτητα των αθλητών και την τεχνολογία των σπορ, δείτε:
    • Epstein D (2014) Are athletes really getting faster, better, stronger? TED2014, filmed March. www.ted.com ή χρησιμοποιήστε τον άμεσο σύνδεσμο: http://tinyurl.com/mgkpo7g

Author(s)

Ο João AS Bomfim είναι χημικός λόγω κατάρτισης και κατέχει διδακτορικό δίπλωμα στην επιστήμη των πολυμερών από το Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο του Ρίο ντε Τζανέιρο της Βραζιλίας. Εργαζόταν ως ερευνητής στην ακαδημαϊκή κοινότητα και τη βιομηχανία, αναπτύσσοντας νέα πλαστικά και ελαστικά υλικά πριν προσχωρήσει στο υποκατάστημα του Λουξεμβούργου του Ομίλου Mondo σαν ερευνητής και ειδικός ανάπτυξης επικεφαλής στην ανάπτυξη νέων επιφανειών για τα σπορ.


Review

Πριν ξεκινήσετε ένα παραδοσιακό μάθημα για τα πολυμερή ή τους Νόμους του Νεύτωνα, περιμένετε μια στιγμή και διαβάστε αυτό το άρθρο για τα τεχνολογικά μυστικά των σύγχρονων αθλητικών ταρτάν. Αυτό το περιεκτικό και απλό κείμενο περιέχει πλήθος ενδιαφερουσών πληροφοριών και πολλές ιδέες για τη διδασκαλία της οργανικής χημείας, της φυσικής, της βιολογίας και της επιστήμης του περιβάλλοντος. Ο συγγραφέας απευθύνεται στην περιέργεια των μαθητών και το ενδιαφέρον τους στα σπορ στην πορεία προς τους Ολυμπιακούς Αγώνες του 2016, χρησιμοποιώντας ξεκάθαρα παραδείγματα από την καθημερινότητα.

Το άρθρο είναι κατάλληλο για εκπαιδευτικούς που διδάσκουν μαθήματα επιστήμης και για μαθητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σαν δραστηριότητα προθέρμανσης πριν από την εισαγωγή στην οργανική χημεία (πολυμερή, χημική δομή φυσικών και συνθετικών ελαστικών, χημικοί δεσμοί, βουλκανισμός, χημικές ιδιότητες ελαστικών και βιομηχανική χρήση). Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί σαν έναυσμα για ένα μάθημα φυσικής (δεύτερος και τρίτος νόμος του Νεύτωνα, ελαστικότητα, ιξώδες, ή μοχλοί στον ανθρώπινο οργανισμό), βιολογίας (ανατομία, μυϊκή συστολή, ή βιομηχανική) ή περιβαλλοντικής επιστήμης (η χρήση των ελαστικών, παραγωγή ελαστικών, κατασκευή, φυσικά και συνθετικά ελαστικά, κύκλος ζωής ελαστικών, διάθεση και ανακύκλωση). Άλλο ένα ενδιαφέρον θέμα συζήτησης θα μπορούσε να είναι η τεχνολογία των εγκαταστάσεων για επαγγελματικά και ερασιτεχνικά σπορ. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί σαν σημείο εκκίνησης για μια έρευνα στις τεχνικές λεπτομέρειες του αθλητικού εξοπλισμού όπως παπούτσια, μπάλες, μαγιό ή κράνη.

Πιθανές ερωτήσεις κατανόησης περιλαμβάνουν:

  1. Ποια μέρη του σώματος συνήθως ΔΕΝ τραυματίζονται κατά την πρόσκρουση με το έδαφος κατά τη διάρκεια του τρεξίματος?
  1. Αστράγαλοι
  2. Δάχτυλα
  3. Σύνδεσμοι
  4. Γόνατα.
  1. Σε σύγκριση με τα ταρτάν των ερασιτεχνικών αθλητικών εκδηλώσεων, τα επαγγελματικά ταρτάν στίβου είναι:
  1. Μαλακότερα
  2. Σκληρότερα
  3. Πιο ελαστικά
  4. Παρόμοια.
  1. Ποια από τις επόμενες δηλώσεις σχετικά με τα μόρια του ελαστικού είναι ψευδής;
  1. Είναι τεράστια πολυμερή
  2. Είναι φυσικά συνδεδεμένα
  3. Έχουν ελεύθερο όγκο
  4. Ευθυγραμμίζονται μεταξύ τους.

Giulia Realdon, Ιταλία




License

CC-BY
CC-BY