Този месец в Пьонгчанг, елитни екипи от експерти по физика и материалознание от цял свят ще ни заслепят с показни прояви на благодат и сила. Ние обикновено се отнасяме към тези експерти като спортисти. Гимнастиците демонстрират финото си разбиране на гравитацията и инерцията. Плувците и водолазите овладяват динамиката на течността и повърхностното напрежение. Скиорите използват своите знания за триене и хидрология, а лугерите избутват своите аеродинамични обувки до краен предел. В крайна сметка олимпийците разбират науката на висцерално ниво по начини, по които повечето от нас не го правят.
Свързано съдържание
- Кратка история на фигурното пързаляне на жените
- Първите ледени кънки не бяха за скокове и завъртания - те бяха за заобикаляне
Едно от най-добрите места за изследване на това разнообразие от физически сили е фигурното пързаляне. Всеки завъртане и завъртане на скейтър започва с баланс. И балансът разчита на това, че можете да запазите центъра си на маса - което, както подсказва името, е центърът, където се намира масата на обекта - директно над точка на контакт с леда. За силно симетричен обект като кръг или сфера, който е в мъртвия център. За лумбалната, неравна форма на човешкото тяло, центърът на масата варира от човек на човек, но има тенденция да бъде малко под пъпа. Чрез плъзгания, завъртания, излитания и кацания фигуристът трябва да поддържа центъра на масата си, изравнен с крак върху леда - или да рискува да се удари.
Във фигурното пързаляне има значение не само центърът на масата. „Инерционният момент“, мярка за това как тази маса се разпределя спрямо центъра на тежестта, също има разлика. Когато скейтър изпълнява ослепително въртене, те контролират скоростта си на въртене, като издърпват ръцете си, за да намалят инерционния момент и да ускорят въртенето или да ги разпространяват, за да намалят инерционния момент и бавното въртене.
Хората, които предпочитат да изпитват физика на по-малко хлъзгава повърхност, могат да се въртят в офис стол с изпънати ръце: Дръпнете ръцете и скоростта на въртене се увеличава. Това увеличение се дължи на принцип, наречен запазване на ъгловия импулс. По-висок инерционен момент съответства на по-ниска скорост на въртене, а по-нисък инерционен момент съответства на по-висока скорост на въртене.
Японският фигурист Мики Андо, показан тук на зимните олимпийски игри 2010 г. във Ванкувър, Канада, е единствената жена, която успешно е изпълнила четворна Салчов. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Но колкото и хубави да са завъртанията, скоковете може би са най-красивите примери от учебника по физика в кънките на лед. Фигурните скейтъри излитат и плават през грациозна параболична крива, въртейки се, докато вървят. Този компромис между енергията, използвана за плаване и предене, е това, което прави скоковете толкова трудни - и впечатляващи, част от рутината на всеки скейтър.
„Тя се състои от три компонента: колко ъглов импулс оставяте леда, колко малък можете да направите своя инерционен момент във въздуха и колко време можете да прекарате във въздуха“, казва Джеймс Ричардс, професор кинезиология и приложна физиология в Университета в Делауеър, който е работил с фигуристите на олимпийски фигури и техните треньори по усъвършенстването на техниките им за скок. Неговата група установи, че повечето скейтъри имат необходимия ъглов импулс да напускат леда, но понякога имат проблеми с получаването на достатъчно скорост на въртене, за да завършат скока.
Дори и дребните промени в позицията на рамото откъм въртенето могат да доведат до успешно завършен скок. „Шокиращото е колко малко е необходимо, за да се направи огромна промяна“, казва той. "Премествате ръцете си на три или четири градуса и това увеличава скоростта на въртене доста."
Отначало лабораторията имаше известни затруднения при превеждането на тези открития в съвет за скейтъри. „Моето поле е прекрасно при създаването на диаграми и графики, графики и таблици“, казва той. Но това не бяха медиите, които скейтърите и треньорите най-добре усвоиха. „Ние взехме цялата тази математика и я сведохме до много проста конструкция.“ По-конкретно, те направиха високоскоростни видеоклипове на скейтърите и прехвърлиха тези данни в аватар на скейтъра. Тогава те щяха да влязат и да оправят положението на тялото в точката на скока, където скейтърът има малко място за подобрение.
След това скейтърът може да види сравнението между това, което са направили, и това, което ще изглежда скокът с някои малки модификации. „Всичко, което променим, може да се направи“, казва той. „Връщаме се назад и разглеждаме силите, необходими на скейтърите да направят това и се уверим, че всички те са добре в границите на силата на скейтъра и се оказва, че това е малка част от тяхната максимална сила.“ Скейтърите все още имат да прекарват много време върху леда, свиквайки с промените, но инструментите за визуализация им помагат да знаят над какво трябва да работят.
За да подобри техниките за скок на олимпийските скейтъри, групата на Ричардс превърна високоскоростния филм на скейтърите в тези въртящи се аватари. (Любезно Джим Ричардс) Изненадващо, групата на Ричардс установи, че въртенето достатъчно бързо е повече психическо, отколкото физическо предизвикателство за скейтърите. "Изглежда има ограничение на скоростта, което е свързано вътрешно", казва той, въпреки че тази максимална скорост варира от човек на човек. Може да отнеме седмици или месеци, за да може един спортист да тренира да се върти по-бързо от естествената си зона на комфорт.
Дебора Кинг, професор по упражнения и спортни науки в колежа в Итака, разгледа как скейтърите преминават от двойки към тройки - и тройки към четворки. „Как скейтърът трябва да балансира или оптимизира времето, прекарано във въздуха?“, Пита тя.
Фигуристите, които могат надеждно да изпълнят тройни или четворни скокове, казва тя, са склонни да прекарват същото време във въздуха, независимо от това какъв скок извършват. Техният ъглов импулс в началото на скока може да е малко по-висок за тройки или четворки, отколкото за двойки, но по-голямата част от разликата е как те контролират инерционния момент.
Това каза, малки разлики в други аспекти на скока могат да имат значение. Дори малкото огъване в бедрата и коленете може да позволи на скейтъра да се приземи с по-нисък център на масата, отколкото са започнали, може би извеждайки няколко ценни степени на въртене и по-добра позиция на тялото за кацане.
Има компромис между вертикална скорост и ъглов импулс. За да скочат по-високо, скейтърите могат да натрупат сила, което би могло да ги накара да натрупат мускулна маса. Тази допълнителна маса може допълнително да увеличи инерционния им момент, забавяйки ги във въздуха. "Можете да загубите повече от увеличаването на инерционния момент, отколкото печелите от увеличеното време във въздуха", казва Ричардс. С други думи, постигането на баланс на леда взема своя баланс.
В момента мъжете на олимпийско ниво максимизират при четворни скокове, докато жените обикновено се спират на тройки. (Засега японският скейтър Мики Андо е единствената жена, която успешно завърши четворно скок в състезанието.) Това кара онези, които изучават физиката на кънките на лед, да се чудят: четирите са твърда граница? „Според сегашния набор от правила, да, вярвам, че е така“, казва Ричардс. Фигуристите, които правят четворни скокове, вече дърпат ръцете си в много близо до тялото, така че няма много място да подобрят инерционния момент и да се въртят по-бързо. А скачането много по-високо вероятно ще изисква изграждане на повече мускулна маса, което би забавило въртенето надолу.
Кинг е по-оптимистичен. „Потенциално би могла да бъде възможна“, казва тя. Исторически, добавя тя, обикновено са необходими няколко десетилетия, за да се добави допълнителна ротация на определен скок на фигурно пързаляне, така че не бива да ги очакваме поне до 2030-те. За да стигнат от четворки до четворки, скейтърите ще трябва да скочат малко по-високо, да получат малко повече ъглова скорост и да намалят инерционния момент. „Въпрос е да погледнем доколко те биха могли да променят тези числа реалистично“, казва тя.
Увеличаването на скоростта на въртене във въздуха би било необходима част от скоковете в четворна кацане. В експеримент лабораторията на Ричардс показа как това може да е възможно. Изследователите дадоха на скейтъри малки ръчни тежести; когато скейтърите вкараха оръжие, увеличеното тегло означаваше по-голяма промяна в инерционния момент, което даде импулс на въртене. (В офис стол, ако започнете с книги или други тежести в ръцете си, ще ускорите още повече, когато дърпате ръцете си.)
Всъщност скейтърите се въртят по-бързо с тежестите в ръцете си, въпреки че изследователите установяват, че и те компенсират промяната бързо. След първия скок те извадиха ръцете си по-малко, за да поддържат същата скорост на въртене, която имат без тежестите. И все пак, ако един скейтър искаше да направи скок в четворна ръка, тежестите на ръцете биха могли да им помогнат да получат необходимата скорост на въртене, за да завършат всички тези завои.
За олимпийските скейтъри обаче има само един мъничък проблем. „Вярвам, че това също изневерява“, казва Ричардс.
