În această lună, la Pyeongchang, echipe de elită din experți în fizică și știință a materialelor din toată lumea ne vor orbi cu afișări ostentative de har și putere. Ne referim frecvent la acești experți ca sportivi. Gimnastele demonstrează înțelegerea subtilă a gravitației și a impulsului. Înotătorii și scafandrii stăpânesc dinamica fluidelor și tensiunea superficială. Schiții își valorifică cunoștințele de frecare și hidrologie, iar tinerii își împing cotletele aerodinamice până la limite. Olimpicii, până la urmă, înțeleg știința la nivel visceral în moduri în care majoritatea dintre noi nu o fac.
Continut Asemanator
- O scurtă istorie a patinajului feminin
- Primele patine de gheață nu au fost pentru sărituri și twirls - au fost pentru a se deplasa
Unul dintre cele mai bune locuri pentru a explora această varietate de forțe fizice este patinajul. Fiecare răsucire, viraj și salt al unui patinator începe cu echilibrul. Iar echilibrul se bazează pe posibilitatea de a vă păstra centrul de masă - care, după cum îi spune numele, este centrul locului în care se află masa unui obiect - direct peste un punct de contact cu gheața. Pentru un obiect extrem de simetric, cum ar fi un cerc sau o sferă, acesta este în centrul mortului. Pentru forma mai plină de umplere, mai puternică a corpului uman, centrul de masă variază de la o persoană la alta, dar tinde să fie puțin sub ombilic. Prin alunecări, rotiri, decolări și aterizări, un patinator trebuie să-și țină centrul de masă aliniat cu un picior pe gheață - sau să riște să ia o tumultă.
Nu este doar centrul de masă care contează în patinaj. „Momentul inerției”, o măsură a distribuției acestei mase în raport cu centrul de greutate, face și o diferență. Când un patinator execută o rotire amețitoare, își controlează viteza de rotație trăgându-și brațele pentru a scădea momentul inerției și a accelera rotirea sau a le răspândi pentru a reduce momentul de inerție și rotirea lentă.
Oamenii care preferă să experimenteze fizica pe o suprafață mai puțin alunecoasă se pot roti într-un scaun de birou cu brațele întinse: Trageți în brațe și viteza de rotire crește. Această creștere se datorează unui principiu numit conservarea momentului unghiular. Un moment mai mare de inerție corespunde unei viteze de rotație mai mici, iar un moment de inerție mai mic corespunde unei viteze de rotație mai mari.
Patinoarul japonez Miki Ando, prezentat aici la Jocurile Olimpice de iarnă din Vancouver, Canada, este singura femeie care a reușit cu succes un patruped Salchow. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Însă la fel de drăguțe sunt rotirile, salturile ar putea fi cele mai frumoase exemple de manuale ale fizicii în patinajul cu gheață. Patinatorii de figură decolează și navighează printr-o curbă parabolică grațioasă, învârtindu-se pe măsură ce merg. Acest compromis între energia utilizată pentru navigație și învârtire este ceea ce face ca săriturile să fie o parte atât de dificilă și impresionantă - din rutina oricărui patinator.
„Se ridică la trei componente: cu cât un moment unghiular lăsați gheața, cu cât de mic vă puteți face momentul de inerție în aer și cât timp puteți petrece în aer”, spune James Richards, un profesor de kinesiologie și fiziologie aplicată la Universitatea din Delaware, care a lucrat cu patinatori olimpici și antrenorii lor la îmbunătățirea tehnicilor de salt. Grupul său a descoperit că cei mai mulți patinatori au impulsul unghiular necesar părăsind gheața, dar uneori au avut probleme pentru a obține suficientă viteză de rotație pentru a completa saltul.
Chiar și modificări minuscule ale poziției brațului în timpul rotirii ar putea duce la o săritură finalizată cu succes. „Ce este șocant este cât de puțin este nevoie pentru a face o diferență uriașă”, spune el. „Îți miști brațele de trei sau patru grade și crește destul de mult viteza de rotire.”
La început, laboratorul a avut unele dificultăți în a traduce aceste descoperiri în sfaturi pentru patinatori. „Câmpul meu este minunat la crearea de diagrame și comploturi și grafice și tabele”, spune el. Dar aceia nu erau mass-media pe care patinatorii și antrenorii i-au absorbit cel mai bine. „Am luat toată matematica și am redus-o la o construcție foarte simplă.” Mai exact, au făcut videoclipuri de mare viteză ale patinatorilor și au transferat aceste date unui avatar al skaterului. Apoi aveau să intre și să regleze poziția corpului în punctul săriturii în care 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 se poate face”, spune el. „Ne întoarcem și ne uităm la forțele necesare patinatorilor pentru a face acest lucru și ne asigurăm că sunt bine în limita de rezistență a patinatorului și se dovedește a fi o mică parte din puterea lor maximă.” Patinatorii au încă 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 filmul de mare viteză al patinatorilor în aceste avataruri învârtite. (Curtoazie Jim Richards) Surprinzător, grupul lui Richards a descoperit că rotirea suficient de rapidă a fost mai mult o provocare mentală decât o provocare fizică pentru patinatori. „Se pare că există o limită de viteză care este conectată intern”, spune el, deși această viteză maximă variază de la o persoană la alta. Poate dura săptămâni sau luni pentru ca un sportiv să se antreneze să se învârtă mai repede decât zona lor de confort natural.
Deborah King, profesoară de științe ale exercițiului și sportului la Colegiul Ithaca, a analizat modul în care patinatorii se mută de la dublu la triplu - și triplu la patruped. „Cum are nevoie patinatorul să echilibreze sau să optimizeze timpul petrecut în aer?”, Se întreabă ea.
Spune ea, patinatorii care pot completa în mod fiabil sărituri triplice sau cvadruple, tind să petreacă aceeași cantitate de timp în aer, indiferent de felul de salt pe care îl execută. Momentul lor unghiular la începutul saltului poate fi ușor mai mare pentru tripluri sau cvadruple decât pentru duble, dar majoritatea diferenței este modul în care controlează momentul inerției.
Acestea fiind spuse, diferențele minuscule 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 mic decât au început, probabil scurgând câteva grade prețioase de rotație și o poziție mai bună a corpului pentru aterizare.
Există un compromis între viteza verticală și momentul unghiular. Pentru a sari mai sus, patinatorii ar putea crește forță, ceea ce i-ar putea determina să câștige masa musculară. Acea masă suplimentară le-ar putea spori și mai mult momentul de inerție, încetinindu-le în aer. „Poți pierde mai mult din creșterea momentului de inerție decât câștigi din timpul crescut în aer”, spune Richards. Cu alte cuvinte, realizarea echilibrului pe gheață își ia propriul echilibru.
În prezent, bărbații de nivel olimpic ies la maxim în salturi de patruplu, în timp ce femeile se opresc de obicei la tripluri. (Până în prezent, patinatorul japonez Miki Ando este singura femeie care a reușit să finalizeze cu succes un patruped în competiție.) Acest lucru îi determină pe cei care studiază fizica patinajului să se întrebe: sunt quads-ul o limită dură? „În conformitate cu setul actual de reguli, da, cred că este”, spune Richards. Patinatorii care merg pentru sărituri în patru paturi își trag deja brațele în foarte aproape de corp, așa că nu există prea mult loc pentru a îmbunătăți momentul inerției și a se roti mai repede. Și săriturile mult mai mari ar necesita probabil construirea mai multă masă musculară, ceea ce ar încetini rotirile în jos.
King este mai optimist. „Un chint ar fi posibil”, spune ea. Adăugă ea istorică, în general, este nevoie de câteva decenii pentru a adăuga o rotație suplimentară la un anumit salt de patinaj, așa că nu ar trebui să ne așteptăm la ele până cel puțin în anii 2030. Pentru a trece de la cvadruple la chintuple, patinatorii ar trebui să sară puțin mai sus, să obțină un moment ceva mai unghiular și să scadă momentul de inerție. „Este o chestiune de a privi cât de mult ar putea să schimbe aceste numere în mod realist”, spune ea.
Creșterea vitezei de rotație în aer ar fi o parte necesară a salturilor de aterizare a cvindruplurilor. Într-un experiment, laboratorul lui Richards a arătat cum ar putea fi posibil acest lucru. Cercetătorii au oferit patinatorilor greutăți mici ale mâinii; atunci când patinatorii și-au adus brațele, greutatea crescută a însemnat că a existat o schimbare mai mare în momentul inerției, ceea ce 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 trageți brațele.)
Într-adevăr, patinatorii s-au rotit mai repede cu greutățile din mâini, deși cercetătorii au descoperit că și ei au compensat rapid schimbarea. După primul salt, au tras brațele mai puțin pentru a menține aceeași viteză de rotație pe care o aveau fără greutăți. Totuși, dacă un patinator dorea să meargă la un salt de cenușiu, greutățile de mână le-ar putea ajuta să obțină viteza de rotație necesară pentru a finaliza toate aceste viraje.
Cu toate acestea, pentru patinatorii olimpici, există doar o mică problemă. „Cred că este și înșelăciune”, spune Richards.
