Спортивная инженерия
Спортивная инженерия — это раздел инженерии, который применяет математику и естественные науки для разработки технологий, оборудования и других ресурсов, имеющих отношение к спорту.
Спортивная инженерия была впервые представлена Исааком Ньютоном при наблюдении теннисного мяча. [1] В середине двадцатого века Говард Хед стал одним из первых инженеров, применивших инженерные принципы для улучшения спортивного оборудования. [2] Начиная с 1999 года, каждые два года проводится международная конференция по спортивной инженерии, чтобы отметить достижения в этой области. [3] В настоящее время журнал « Спортивная инженерия » подробно описывает инновации и исследовательские проекты, над которыми работают спортивные инженеры. [3]
Изучение спортивной инженерии требует понимания различных инженерных тем, включая физику , машиностроение , материаловедение и биомеханику . [4] Многие практикующие имеют ученые степени по этим темам, а не конкретно по спортивной инженерии. Специальные учебные программы в области спортивной инженерии и технологий становятся все более распространенными на уровне магистратуры, а также на уровне бакалавриата в Европе . Спортивные инженеры также используют инструменты вычислительной инженерии, такие как компьютерное проектирование (САПР), вычислительная гидродинамика (CFD) и анализ методом конечных элементов (FEA), для проектирования и производства спортивного оборудования, спортивной одежды и многого другого. [1]
История [ править ]
Один из самых ранних случаев применения научных принципов в контексте спорта произошел в 1671 году, когда английский математик Исаак Ньютон написал письмо немецкому теологу и натурфилософу Генри Ольденбургу о механике полета теннисного мяча. [1] В последующие столетия немецкий ученый Генрих Густав Магнус дополнительно изучил анализ Ньютона и применил ньютоновские теории к вращательным свойствам шаров. [1] Примерно в 1760 году, в разгар промышленной революции , спортивная инженерия получила дальнейшее развитие с ускорением производства спортивного инвентаря. [1] На этом этапе производители осознали, что рост продаж напрямую связан с улучшением качества оборудования. [1] В результате начались эксперименты по поиску новых конструкций и материалов для улучшения спортивных результатов. [1]
В наше время спортивные инженеры, такие как Говард Хед , применили инженерные принципы к спортивному оборудованию. [2] Поняв, что традиционные лыжи для снега слишком тяжелы, Хед в 1947 году разработал более легкие и гибкие лыжи. [2] Он использовал свои знания в авиационной промышленности для создания лыж с металлической сэндвич-конструкцией. [2] Спустя 40 итераций и 3 года он выпустил свои лыжи в продажу, и вскоре они установили стандарт для лыж. [2] Сегодня его лыжи широко известны и признаны под брендом Head , Head Sportswear International и Head Ski Company. [2] Хед также разработал теннисную ракетку Prince Classic. [2] Он создал гораздо более легкую конструкцию с большей рамой, поддерживающей удары не по центру, и рукояткой, которая не скручивалась в руках игроков. [2] Как и его лыжи, большие ракетки Хэда были приняты лучшими спортсменами в этом виде спорта. [2]
журнал « Спортивная инженерия ». В 1998 году была создана Международная ассоциация спортивной инженерии (ISEA) и стал издаваться [3] организовал первую международную конференцию по спортивной инженерии В 1999 году Стив Хааке под названием «Международная конференция по спортивной инженерии» в Шеффилде, Англия. [3] Конференция объединяет ведущих мировых исследователей, профессионалов спорта и отраслевые организации, чтобы прославить эту профессию, демонстрируя инновации как в исследованиях, так и в промышленности.
Образование [ править ]
Спортивная инженерия в Соединенных Штатах часто является частью университетских программ бакалавриата по машиностроению, а не отдельными программами бакалавриата. [5] На уровне аспирантуры исследовательские лаборатории часто используют междисциплинарный подход к спортивной инженерии, например, в Массачусетского технологического института. спортивной лаборатории [6] и Лаборатория биоспорта Калифорнийского университета в Дэвисе . [7] Некоторые возможности для выпускников, такие как программа, предлагаемая Purdue, включают концентрацию в области спортивной инженерии на факультете машиностроения или материаловедения. [8]
Большинство студентов спортивных инженеров получают степень бакалавра в других инженерных областях, включая машиностроение, электротехнику и материаловедение; не существует единой образовательной программы, позволяющей стать спортивным инженером.
более распространены более обширные программы по этому предмету Хотя университеты в Соединенных Штатах предлагают курсы или специализации по спортивной инженерии, в Соединенном Королевстве . Спортивная инженерия в академических кругах более развита в Соединенном Королевстве. [9] с программами на уровне бакалавриата и магистратуры. Группа исследований спортивной инженерии Шеффилдского университета Халлама [10] - «дом» спортивной инженерии как дисциплины, и Университет Лафборо предлагает годичную программу последипломного образования в области спортивной инженерии. [11] Университет Ноттингем Трент предлагает трехлетнюю программу бакалавриата с полной занятостью, основанную на отраслевых семинарах и мероприятиях, а также на исследовательском опыте на территории кампуса, например, в лаборатории спортивной инженерии. [12] Полный список курсов можно получить в ISEA . [13]
Учебный план [ править ]
Курсы спортивной инженерии синтезируют содержание как инженерной, так и спортивной науки. [1] Программы спортивной инженерии включают в себя инженерно-ориентированные занятия, такие как физика, аэродинамика и материаловедение, а также курсы, основанные на спортивных науках, такие как биомеханика и анатомия. [14]
Компьютерное моделирование [ править ]
Компьютерное моделирование обычно используется во многих инженерных дисциплинах и часто применяется в спорте. Вычислительная гидродинамика (CFD) может использоваться в спортивном инженерном образовании для моделирования потока как в воздушных, так и в водных системах. Спортивные инженеры могут использовать системы компьютерного моделирования для анализа поведения объекта без необходимости его физического создания. Например, CFD использовался для прогнозирования структуры жидкости вокруг лыжника, прыгающего по воздуху, или пловца, движущегося по воде, чтобы уменьшить сопротивление, действующее на спортсмена. [15]
FEA или анализ методом конечных элементов — это еще один инструмент инженерного моделирования, который применяется в области спортивной инженерии для моделирования физики приложенных сил, действующих в системе. Например, анализ FEA можно использовать для анализа удара мяча о теннисную ракетку или различных деформаций, возникающих в результате удара футбольного мяча. [1]
спортивной инженерии обучения по Программы
Программы бакалавриата и магистратуры по спортивной инженерии более распространены в Европе, чем в США. В приведенном ниже списке представлены предложения, доступные в настоящее время в области спортивной техники.
- Ольборгский университет (Дания) [16]
- Центр спортивных инженерных исследований (CSER) - Университет Шеффилда Халлама (Великобритания) [17] [18]
- Немецкий спортивный университет Кёльн (Германия) [19]
- Университет Гриффита (Австралия) [20]
- Исламский университет Азад, отделение науки и исследований (Иран) (бакалавриат и аспирант)
- Университет Лафборо (Великобритания) [21]
- Массачусетский Институт Технологий [6]
- Центральный университет (Швеция) [22]
- Университет Пердью [8]
- ТУ Хемниц (Германия) (бакалавриат) [23]
- ТУ Хемниц (Германия) (выпускник) [23]
- ТУ Делфт (Нидерланды) [23]
- Университет Аделаиды (Австралия) [24]
- Венский Техникум Университета Прикладных Наук (Австрия) (бакалавриат) [25]
- Венский Техникум Университета Прикладных Наук (Австрия)(выпускник) [25]
- Калифорнийский университет в Дэвисе [7]
- Дебреценский университет , инженерный факультет (Венгрия) [26]
- Университет Отаго (Новая Зеландия) [27]
и исследования Приложения
Спортивная инженерия имеет множество применений в спортивной индустрии. Некоторые примеры этих приложений и связанных с ними технологий перечислены ниже.
Спортивное оборудование [ править ]
Компьютерное проектирование (САПР) и анализ методом конечных элементов (FEA) можно использовать для проектирования и испытаний спортивного оборудования. Инженеры могут использовать FEA для приложения к объекту различных напряжений и определения его сильных и слабых сторон. Например, FEA можно использовать для моделирования удара теннисной ракетки по мячу, включая то, как ракетка и мяч могут деформироваться или вибрировать в результате удара. [1] Вычислительная гидродинамика (CFD) может применяться в таких видах спорта, как велоспорт, для изучения аэродинамики велосипедов и положения тела гонщиков. [1] Эта информация полезна для понимания того, как увеличить скорость езды на велосипеде и снизить нагрузку на велосипедистов.
Спортивная одежда [ править ]
Ярким примером того, как инженерное дело пересекается со спортивной одеждой, является купальник LZR Racer от Speedo , созданный в сотрудничестве с исследователями и инженерами НАСА. [28] Спортивные инженеры протестировали различные материалы и покрытия в аэродинамической трубе, чтобы определить, как уменьшить сопротивление. [28] Инженеры также оптимизировали стабильность и мобильность, используя методы наложения слоев и сварки, специфичные для конкретных частей тела. [29] Например, область живота и поясницы костюма была сделана более плотной, чтобы улучшить стабильность корпуса. [29] LZR Racer смог снизить сопротивление трения кожи на 24% по сравнению с ранее самым совершенным костюмом Speedo. [29] Эти инженерные решения помогли пловцам, носившим LZR Racer от Speedo, установить 93 мировых рекорда. [29]
Смежные дисциплины [ править ]
Материаловедение , машиностроение , спортивная наука , спортивная медицина , биомеханика и физика — это области, которые пересекаются со спортивной инженерией.
Ссылки [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б с д Это ж г час я дж к «Обзор спортивной инженерии: история, влияние и исследования» (PDF) .
- ^ Перейти обратно: а б с д Это ж г час я Центр, Смитсоновский институт Лемельсона (08 сентября 2020 г.). «Спортивный новатор Говард Хед» . Центр Лемельсона по изучению изобретений и инноваций . Проверено 5 апреля 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Уджихаши, С. (2007). «АКТИВАЦИЯ И ОТВЕТСТВЕННОСТЬ СПОРТИВНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО ВСЕМ МИРУ» . В «Фуссе», Франц Константин; Шубич, Александр; Удзихаси, Садаюки (ред.). Влияние технологий на спорт II . дои : 10.1201/9781439828427 . ISBN 9780429094491 . Проверено 31 марта 2023 г.
- ^ «Что такое спортивная инженерия?» . Международная ассоциация спортивной инженерии . 14 июня 2013 г. Проверено 7 апреля 2023 г.
- ^ «Спортивная инженерия» . Школа машиностроения и материаловедения WSU . Проверено 29 марта 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Домой | Спортивная лаборатория Массачусетского технологического института» . Sportslab.mit.edu . Проверено 29 марта 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Биоспорт – Лаборатория спортивной биомеханики» . Research.engineering.ucdavis.edu . Проверено 29 марта 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Профессиональная магистерская деятельность в области спортивной инженерии» . Инженерный колледж Университета Пердью . Проверено 7 апреля 2023 г.
- ^ «Как стать спортивным инженером» . Международная ассоциация спортивной инженерии . 14 июня 2013 г. Проверено 29 марта 2023 г.
- ^ «Магистр спортивной инженерии, очная форма, 2024 | Университет Шеффилда Халлама» . www.shu.ac.uk. Проверено 6 октября 2023 г.
- ^ «Степень спортивного инженера | Аспирантура | Университет Лафборо» . www.lboro.ac.uk . Проверено 7 апреля 2023 г.
- ^ «Спорт Инжиниринг» . www.ntu.ac.uk. Проверено 7 апреля 2023 г.
- ^ «Университетские курсы» . Международная ассоциация спортивной инженерии . 14 июня 2013 г. Проверено 6 октября 2023 г.
- ^ Аллен, Том; Гофф, Джон Эрик (01 декабря 2018 г.). «Ресурсы спортивного инженерного образования» . Спортивная инженерия . 21 (4): 245–253. дои : 10.1007/s12283-017-0250-1 . ISSN 1460-2687 . S2CID 255577534 .
- ^ Квартерони, Альфио (2009). Вычислительная гидродинамика для спортивного моделирования . Спрингер. стр. 63–82.
- ^ «Спортивные технологии» . www.en.aau.dk. Проверено 28 апреля 2017 г.
- ^ «Центр спортивных инженерных исследований | Университет Шеффилда Халлама» . www.shu.ac.uk. Проверено 28 апреля 2017 г.
- ^ «Магистр спортивной инженерии, очная форма» . www.shu.ac.uk. Университет Шеффилд-Халлам . Проверено 15 сентября 2020 г.
- ^ Кёльн, Немецкий спортивный университет. «Магистр человеческих технологий в спорте и медицине: структура и содержание обучения - Немецкий спортивный университет в Кёльне» . www.dshs-koeln.de (на немецком языке) . Проверено 28 апреля 2017 г.
- ^ «Спортивно-биомедицинская программа» . www.griffith.edu.au . Проверено 28 апреля 2017 г.
- ^ «Школа спорта, физических упражнений и медицинских наук | Университет Лафборо» . www.lboro.ac.uk . Проверено 28 апреля 2017 г.
- ^ «Спортивные технологии – инженер-механик в разработке инновационных продуктов» . www.miun.se (на шведском языке) . Проверено 28 апреля 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б с ЮЗ, Админ. «Программа бакалавриата в области спортивной инженерии | Программы обучения | Входящие | Международный офис | TU Chemnitz» . www.tu-chemnitz.de . Проверено 28 апреля 2017 г.
- ^ «Бакалавр технических наук (с отличием) (механика и спорт)» . www.adelaide.edu.au . Проверено 6 апреля 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Венский университет прикладных наук» . www.technikum-wien.at . Проверено 29 мая 2017 г.
- ^ «Университет Дебрецена» . www.unideb.hu (на венгерском языке) . Проверено 3 ноября 2021 г.
- ^ «Изучение спортивных технологий» . www.otago.ac.nz . Проверено 28 апреля 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б Иветт. «НАСА – полет сквозь воду» . www.nasa.gov . Проверено 29 марта 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д «Технологии, лежащие в основе высокотехнологичных купальников Speedo, бросивших вызов Олимпийским играм» . Engineering.com . Проверено 29 марта 2023 г.