Fiecare răsucire, rotație și salt se bazează pe o stăpânire a forțelor fizice complexe

Luna aceasta, în Pyeongchang, echipe de elită de experți în fizică și știința materialelor din întreaga lume ne vor uimi cu manifestări ostentative de grație și putere. În mod obișnuit, ne referim la acești experți drept sportivi. Gimnastele își demonstrează subtila înțelegere a gravitației și a impulsului. Înotătorii și scafandrii stăpânesc dinamica fluidelor și tensiunea superficială. Schiorii își valorifică cunoștințele despre fricțiune și hidrologie, iar bagajele își împing cotletele aerodinamice la limite. La urma urmei, olimpienii înțeleg știința la un nivel visceral în moduri în care majoritatea dintre noi nu o fac.

Continut Asemanator

Unul dintre cele mai bune locuri pentru a explora această varietate de forțe fizice este patinajul artistic. Fiecare răsucire, întoarcere și salt a unui patinator începe cu echilibrul. Și echilibrul se bazează pe posibilitatea de a vă păstra centrul de masă - care, după cum sugerează și numele, este centrul unde se află masa unui obiect - direct deasupra unui punct de contact cu gheața. Pentru un obiect foarte simetric, cum ar fi un cerc sau o sferă, care se află în centrul mort. În ceea ce privește forma mai grea a corpului uman, centrul de masă variază de la persoană la persoană, dar tinde să fie puțin sub buric. Prin alunecări, rotiri, decolări și aterizări, un patinator trebuie să-și mențină centrul de masă aliniat cu un picior pe gheață - sau riscă să ia o cădere.

În patinajul artistic nu contează doar centrul de masă. „Momentul de inerție”, o măsură a modului în care masa este distribuită în raport cu centrul de greutate, face și ea o diferență. Când un patinator efectuează o rotire orbitoare, își controlează viteza de rotație trăgându-și brațele pentru a reduce momentul de inerție și accelera rotația sau întinzându-le pentru a reduce momentul de inerție și rotația lentă.

Oamenii care preferă să experimenteze fizica pe o suprafață mai puțin alunecoasă se pot roti pe un scaun de birou cu brațele întinse: Trageți brațele și viteza de centrifugare crește. Această creștere se datorează unui principiu numit conservarea impulsului unghiular. Un moment de inerție mai mare corespunde unei viteze de rotație mai mici, iar un moment de inerție mai mic corespunde unei viteze de rotație mai mari.

patinatorii
Patinatorul japonez Miki Ando, ​​prezentat aici la Jocurile Olimpice de iarnă din 2010 din Vancouver, Canada, este singura femeie care a realizat cu succes un Salchow cvadruplu. (ZUMA Press, Inc./Alamy)

Dar oricât de frumoase sunt rotirile, salturile ar putea fi cele mai frumoase exemple de manuale de fizică în patinajul pe gheață. Patinatorii artistic decolează și navighează printr-o curbă parabolică grațioasă, rotindu-se în timp ce merg. Acel compromis între energia utilizată pentru navigație și rotire este ceea ce face ca salturile să fie atât de dificile - și impresionante - parte a rutinei oricărui patinator.

„Se ridică la trei componente: cu cât moment unghiular lăsați gheața, cât de mic puteți face momentul de inerție în aer și cât timp puteți petrece în aer”, spune James Richards, profesor de kinesiologie și fiziologie aplicată la Universitatea din Delaware, care a lucrat cu patinatori olimpici și antrenorii lor la îmbunătățirea tehnicilor lor de salt. Grupul său a descoperit că majoritatea patinatorilor aveau impulsul unghiular necesar părăsind gheața, dar uneori aveau probleme cu obținerea unei viteze de rotație suficiente pentru a finaliza saltul.

Chiar și modificările minuscule ale poziției brațului parțial prin rotație ar putea duce la un salt completat cu succes. „Ceea ce este șocant este cât de puțin este nevoie pentru a face o mare diferență”, spune el. „Îți miști brațele cu trei sau patru grade și crește destul de mult viteza de centrifugare”.

La început, laboratorul a avut unele dificultăți în a traduce aceste descoperiri în sfaturi pentru patinatori. „Domeniul meu este minunat la realizarea de diagrame și grafice și grafice și tabele”, spune el. Dar acestea nu au fost mass-media pe care patinatorii și antrenorii au absorbit-o cel mai bine. „Am luat toate acele matematici și le-am redus la o construcție foarte simplă”. Mai exact, au realizat videoclipuri de mare viteză ale patinatorilor și au transferat aceste date către un avatar al patinatorului. Apoi, intrau și schimbau poziția corpului în punctul săriturii, unde patinatorul avea ceva spațiu de îmbunătățit.

Patinatorul a putut vedea apoi comparația dintre ceea ce au făcut și cum ar arăta saltul cu câteva mici modificări. „Orice schimbăm poate fi făcut”, spune el. „Ne întoarcem și ne uităm la forțele necesare patinatorilor pentru a face acest lucru și ne asigurăm că sunt cu toții bine în limita de forță a patinatorului și se dovedește a fi o mică parte din rezistența lor maximă.” Patinatorii încă trebuie să petreacă mult timp pe gheață obișnuindu-se cu schimbările, dar instrumentele de vizualizare îi ajută să știe la ce ar trebui să lucreze.

Pentru a îmbunătăți tehnicile de sărituri ale patinatorilor olimpici, grupul lui Richards a transformat un film de mare viteză al patinatorilor în aceste avataruri rotative. (Amabilitatea lui Jim Richards)

În mod surprinzător, grupul lui Richards a descoperit că rotirea suficient de rapidă era mai mult o provocare mentală decât fizică pentru patinatori. „Se pare că există o limită de viteză prin cablu intern”, spune el, deși această viteză maximă variază de la persoană la persoană. Poate dura săptămâni sau luni ca un sportiv să se antreneze pentru a se roti mai repede decât zona lor naturală de confort.

Deborah King, profesor de științe ale exercițiului și sportului la Colegiul Ithaca, a analizat modul în care patinatorii trec de la dublu la triplu - și triplu la cvadruplu. „Cum are nevoie patinatorul să echilibreze sau să optimizeze timpul petrecut în aer?” ea intreaba.

Patinatorii care pot realiza în mod fiabil sărituri triple sau cvadruple, spune ea, tind să petreacă aceeași perioadă de timp în aer, indiferent de ce fel de sărituri execută. Momentul lor unghiular la începutul săriturii poate fi ușor mai mare pentru triplu sau cvadruplu decât pentru dublu, dar majoritatea diferenței este modul în care controlează momentul de inerție.

Acestea fiind spuse, diferențele mici în alte aspecte ale saltului pot face diferența. Chiar și o mică îndoire a șoldurilor și a genunchilor poate permite patinatorului să aterizeze cu un centru de masă mai scăzut decât au început, poate scoate câteva grade prețioase de rotație și o poziție a corpului mai bună.

Există o compromis între viteza verticală și impulsul unghiular. Pentru a sări mai sus, patinatorii ar putea construi forță, ceea ce i-ar putea determina să câștige masă musculară. Acea masă suplimentară le-ar putea crește și mai mult momentul de inerție, încetinindu-i în aer. „Puteți pierde mai mult din creșterea momentului de inerție decât câștigați din timpul crescut în aer”, spune Richards. Cu alte cuvinte, realizarea echilibrului pe gheață își ia propriul echilibru.

În prezent, bărbații la nivel olimpic se ridică la salturi de patru ori, în timp ce femeile se opresc de obicei la triple. (Până în prezent, patinatoarea japoneză Miki Ando este singura femeie care a realizat cu succes un salt cvadruplu în competiție.) Aceasta îi determină pe cei care studiază fizica patinajului pe gheață: sunt quad-urile o limită grea? „Conform setului actual de reguli, da, cred că este,” spune Richards. Patinatorii care fac salturi cvadruple își trag deja brațele foarte aproape de corp, deci nu există prea mult spațiu pentru a îmbunătăți momentul de inerție și a se roti mai repede. Și sărind mult mai sus ar necesita probabil construirea mai multor mase musculare, ceea ce ar încetini rotațiile.

King este mai optimist. „O chintă ar fi posibilă”, spune ea. Din punct de vedere istoric, adaugă ea, este nevoie, în general, de câteva decenii pentru a adăuga o rotație suplimentară unui anumit salt de patinaj artistic, așa că nu ar trebui să ne așteptăm la acestea până cel puțin în anii 2030. Pentru a ajunge de la cvadrupluri la cvintupluri, patinatorii ar trebui să sară ceva mai sus, să obțină un pic mai mult impuls unghiular și să scadă momentul de inerție. „Este o chestiune de a analiza cât de mult ar putea modifica aceste numere în mod realist”, spune ea.

Creșterea vitezei de rotație în aer ar fi o parte necesară a aterizării salturilor de cvintuplu. Într-un experiment, laboratorul lui Richards a arătat cum ar putea fi posibil acest lucru. Cercetătorii au dat patinatorilor greutăți mici cu mâinile; când patinatorii și-au adus brațele, greutatea crescută a însemnat o schimbare mai mare a momentului de inerție, care a dat o viteză de rotație sporită. (Pe un scaun de birou, dacă începeți cu cărți sau alte greutăți în mâini, veți accelera și mai mult atunci când vă trageți brațele.)

Într-adevăr, patinatorii s-au rotit mai repede cu greutățile în mâini, deși cercetătorii au descoperit că au compensat și schimbarea rapid. După prima săritură, au tras mai puțin brațele pentru a menține aceeași viteză de rotație pe care o aveau fără greutăți. Totuși, dacă un patinator ar dori să meargă la un salt de cinci ori, greutățile mâinilor i-ar putea ajuta să obțină viteza de rotație necesară pentru a finaliza toate acele ture.

Cu toate acestea, pentru patinatorii olimpici există o mică problemă. „Cred că este și înșelătorie”, spune Richards.