W tym miesiącu w Pyeongchang elitarne zespoły ekspertów z dziedziny fizyki i materiałoznawstwa z całego świata oczarują nas ostentacyjnymi okazami łaski i mocy. Często nazywamy tych ekspertów sportowcami. Gimnastycy demonstrują swoje subtelne rozumienie grawitacji i pędu. Pływacy i nurkowie opanowują dynamikę płynów i napięcie powierzchniowe. Narciarze wykorzystują swoją wiedzę na temat tarcia i hydrologii, a narty popychają kotlety aerodynamiczne do granic możliwości. W końcu olimpijczycy rozumieją naukę na poziomie trzewnym w sposób, którego większość z nas nie rozumie.
powiązana zawartość
- Krótka historia łyżwiarstwa figurowego kobiet
- Pierwsze łyżwy nie były przeznaczone do skoków i zawirowań - były do poruszania się
Jednym z najlepszych miejsc do odkrywania tej różnorodności sił fizycznych jest łyżwiarstwo figurowe. Każdy skuter, każdy zakręt, skok i skok zaczyna się od równowagi. Równowaga polega na utrzymaniu środka masy - który, jak sama nazwa wskazuje, jest środkiem miejsca, w którym znajduje się masa obiektu - bezpośrednio nad punktem kontaktu z lodem. Dla bardzo symetrycznego obiektu, takiego jak okrąg lub kula, znajduje się w martwym punkcie. W przypadku bardziej zwięzłego, trudniejszego kształtu ludzkiego ciała środek masy różni się w zależności od osoby, ale zwykle znajduje się nieco poniżej pępka. Podczas poślizgów, obrotów, startów i lądowań łyżwiarz figurowy musi utrzymywać środek ciężkości wyrównany ze stopą na lodzie - w przeciwnym razie ryzykuje upadek.
W łyżwiarstwie figurowym liczy się nie tylko środek masy. „Moment bezwładności”, miara rozkładu masy w stosunku do środka ciężkości, również ma znaczenie. Kiedy łyżwiarz wykonuje olśniewający obrót, kontroluje prędkość obrotową, przyciągając ramiona w celu zmniejszenia momentu bezwładności i przyspieszenia obrotu lub rozkładając je w celu zmniejszenia momentu bezwładności i wolnego obrotu.
Ludzie, którzy wolą doświadczać fizyki na mniej śliskim podłożu, mogą się obracać w fotelu biurowym z wyciągniętymi ramionami: Pociągnij za ramiona, a prędkość wirowania wzrośnie. Wzrost ten wynika z zasady zwanej zachowaniem momentu pędu. Wyższy moment bezwładności odpowiada niższej prędkości obrotowej, a niższy moment bezwładności odpowiada wyższej prędkości obrotowej.
Japońska łyżwiarka figurowa Miki Ando, pokazana tutaj podczas Zimowych Igrzysk Olimpijskich 2010 w Vancouver w Kanadzie, jest jedyną kobietą, która z powodzeniem wykonała czterokrotny Salchow. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Ale choć fajne są spiny, skoki mogą być najpiękniejszymi przykładami fizyki w łyżwiarstwie. Łyżwiarze figurowi startują i płyną po wdzięcznej krzywej parabolicznej, obracając się. Ten kompromis między energią używaną do żeglowania i spinningowania sprawia, że skoki są tak trudną - i imponującą - częścią rutyny każdego skatera.
„Składa się z trzech elementów: z jak dużym momentem pędu zostawiasz lód, jak mały możesz zrobić moment bezwładności w powietrzu i ile czasu możesz spędzić w powietrzu” - mówi James Richards, profesor kinezjologia i fizjologia stosowana na University of Delaware, który współpracował z łyżwiarzami olimpijskimi i ich trenerami nad doskonaleniem technik skoków. Jego grupa odkryła, że większość łyżwiarzy miała niezbędny moment pędu opuszczający lód, ale czasami miała problemy z uzyskaniem wystarczającej prędkości obrotowej, aby ukończyć skok.
Nawet niewielkie zmiany pozycji ramienia w trakcie obrotu mogą doprowadzić do udanego skoku. „Szokujące jest to, jak niewiele trzeba, aby zrobić ogromną różnicę” - mówi. „Poruszasz rękami o trzy lub cztery stopnie, co znacznie zwiększa szybkość wirowania.”
Na początku laboratorium miało pewne trudności z przełożeniem tych odkryć na porady dla łyżwiarzy. „Moja dziedzina jest wspaniała w tworzeniu wykresów i wykresów oraz wykresów i tabel” - mówi. Ale to nie media najlepiej pochłaniały łyżwiarzy i trenerów. „Wzięliśmy całą matematykę i sprowadziliśmy ją do bardzo prostej konstrukcji”. W szczególności, zrobili szybkie filmy łyżwiarzy i przenieśli te dane do awatara łyżwiarza. Potem wchodzili i poprawiali pozycję ciała w punkcie skoku, w którym łyżwiarz miał trochę miejsca do poprawy.
Skater mógł wtedy zobaczyć porównanie między tym, co zrobili, a tym, jak wyglądałby skok z niewielkimi modyfikacjami. „Wszystko, co zmienimy, można zrobić”, mówi. „Cofamy się i przyglądamy się siłom potrzebnym do tego, aby zrobić to łyżwiarze i upewniamy się, że wszystkie znajdują się w granicach wytrzymałości łyżwiarza, i okazuje się, że jest to ułamek ich maksymalnej siły.” Zawodniczki wciąż mają spędzać dużo czasu na lodzie, przyzwyczajając się do zmian, ale narzędzia wizualizacji pomagają im wiedzieć, nad czym powinni pracować.
Aby ulepszyć techniki skoków olimpijskich łyżwiarzy, grupa Richardsa zamieniła film o szybkich łyżwiarzach w te wirujące awatary. (Dzięki uprzejmości Jim Richards) Co zaskakujące, grupa Richardsa stwierdziła, że wystarczająco szybkie obracanie się było bardziej psychicznym niż fizycznym wyzwaniem dla łyżwiarzy. „Wydaje się, że istnieje ograniczenie prędkości, które jest wewnętrznie okablowane”, mówi, chociaż ta maksymalna prędkość różni się w zależności od osoby. Sportowiec może trenować się szybciej niż w naturalnej strefie komfortu przez tygodnie lub miesiące.
Deborah King, profesor ćwiczeń i nauk sportowych w Ithaca College, przyjrzała się, jak łyżwiarze przechodzą od podwójnych do potrójnych - i od potrójnych do czterokrotnie. „Jak łyżwiarz musi zrównoważyć lub zoptymalizować czas spędzony w powietrzu?” - pyta.
Łyżwiarze, którzy potrafią niezawodnie wykonywać potrójne lub poczwórne skoki, mówi, spędzają tyle samo czasu w powietrzu, niezależnie od tego, jakiego rodzaju skoku wykonują. Ich moment pędu na początku skoku może być nieco wyższy dla potrójnych lub poczwórnych niż dla podwójnych, ale większość różnic polega na tym, jak kontrolują moment bezwładności.
To powiedziawszy, niewielkie różnice w innych aspektach skoku mogą mieć znaczenie. Nawet niewielkie zgięcie w biodrach i kolanach może pozwolić łyżwiarzowi wylądować z niższym środkiem masy niż początkowo, być może wyodrębniając kilka cennych stopni obrotu i lepszą pozycję ciała do lądowania.
Występuje kompromis między prędkością pionową a momentem pędu. Aby skakać wyżej, łyżwiarze mogą budować siłę, która może powodować przyrost masy mięśniowej. Ta dodatkowa masa mogłaby dodatkowo zwiększyć moment bezwładności, spowalniając ich w powietrzu. „Możesz stracić więcej ze wzrostu momentu bezwładności niż zyskujesz ze zwiększonego czasu w powietrzu”, mówi Richards. Innymi słowy, osiągnięcie równowagi na lodzie wymaga własnej równowagi.
Obecnie mężczyźni na poziomie olimpijskim osiągają maksymalne skoki czterokrotnie, podczas gdy kobiety zwykle zatrzymują się trzykrotnie. (Jak dotąd japońska łyżwiarka Miki Ando jest jedyną kobietą, która pomyślnie ukończyła poczwórny skok w zawodach.) To prowadzi tych, którzy studiują fizykę jazdy na łyżwach, do zastanowienia: czy quady są twardym limitem? „Zgodnie z obecnym zestawem zasad, tak, uważam, że tak”, mówi Richards. Łyżwiarze, którzy wybierają się na poczwórne skoki, już przyciągają ręce bardzo blisko ciała, więc nie ma zbyt wiele miejsca na poprawę momentu bezwładności i szybsze obracanie się. A skakanie znacznie wyżej prawdopodobnie wymagałoby zbudowania większej masy mięśniowej, co spowolniłoby obroty.
Król jest bardziej optymistyczny. „Kwint byłaby potencjalnie możliwa” - mówi. Dodaje, że historycznie dodawanie dodatkowej rotacji do konkretnego skoku w łyżwiarstwie figurowym zajmuje zwykle kilka dziesięcioleci, więc nie należy się ich spodziewać aż do lat 30. XX wieku. Aby przejść od poczwórnych do pięciokrotnych, łyżwiarze musieliby skoczyć nieco wyżej, uzyskać nieco większy moment pędu i zmniejszyć moment bezwładności. „Chodzi o to, by sprawdzić, jak bardzo mogą potencjalnie zmienić te liczby realistycznie” - mówi.
Zwiększenie prędkości obrotowej w powietrzu byłoby niezbędną częścią pięciokrotnych skoków lądowania. W eksperymencie laboratorium Richardsa pokazało, jak to możliwe. Badacze nadali łyżwiarzom małe ciężary rąk; kiedy łyżwiarze wnieśli ręce, zwiększona waga oznaczała większą zmianę momentu bezwładności, co zwiększyło ich prędkość obrotową. (Na krześle biurowym, jeśli zaczniesz z książkami lub innymi ciężarkami w rękach, przyspieszysz jeszcze bardziej, gdy wciągniesz ręce.)
Rzeczywiście, łyżwiarze obracali się szybciej z ciężarkami w dłoniach, chociaż naukowcy odkryli, że również szybko zrekompensowali zmianę. Po pierwszym skoku wciągnęli ręce w mniej, aby utrzymać taką samą prędkość obrotową, jaką mieli bez obciążników. Mimo to, jeśli łyżwiarz chciałby skoczyć pięciokrotnie, ciężary rąk mogą pomóc im uzyskać prędkość obrotową niezbędną do wykonania wszystkich tych zwojów.
Dla łyżwiarzy olimpijskich jest jednak tylko jeden mały problem. „Wierzę, że to także oszustwo”, mówi Richards.
