I denne måneden i Pyeongchang vil elitelag med eksperter fra fysikk og materialvitenskap fra hele verden blende oss med storslåtte visninger av nåde og kraft. Vi omtaler ofte disse ekspertene som idrettsutøvere. Gymnaster demonstrerer sin subtile forståelse av tyngdekraften og fart. Svømmere og dykkere mestrer væskedynamikk og overflatespenning. Skiløpere utnytter sin kunnskap om friksjon og hydrologi, og lugers presser sine aerodynamiske koteletter til grensene. Olympians, forstår tross alt vitenskapen på et visceralt nivå på måter de fleste av oss ikke gjør.
Relatert innhold
- En kort historie om kunstløp for kvinner
- De første skøytene var ikke for hopp og snurr - de var for å komme seg rundt
Et av de beste stedene å utforske denne forskjellige fysiske krefter er kunstløp. En skøyteløperes hver vri, vending og sprang begynner med balanse. Og balanse er avhengig av å kunne holde massesenteret ditt - som, som navnet tilsier, er sentrum for hvor objektets masse befinner seg - direkte over et kontaktpunkt med isen. For et svært symmetrisk objekt som en sirkel eller kule, er det i dødpunktet. For den klumpete, humpete formen på menneskekroppen, varierer massesenteret fra person til person, men har en tendens til å være litt under navlen. Gjennom glider, snurr, start og landinger, må en kunstløpere holde massesenteret på linje med en fot på isen - eller risikere å ta en tumle.
Det er ikke bare massesenteret som betyr noe i kunstløp. "Treghetsmomentet", et mål på hvordan massen er fordelt i forhold til tyngdepunktet, utgjør også en forskjell. Når en skøyteløper utfører et blendende spinn, kontrollerer de rotasjonshastigheten sin ved å trekke armene inn for å redusere treghetsmomentet og øke hastigheten på rotasjonen eller spre dem ut for å redusere treghetsmomentet og langsom rotasjon.
Folk som foretrekker å oppleve fysikk på en mindre glatt overflate kan snurre seg rundt i en kontorstol med forlengede armer: Trekk i armene, og sentrifugeringshastigheten øker. Denne økningen skyldes et prinsipp som kalles bevaring av vinkelmoment. Et høyere treghetsmoment tilsvarer en lavere rotasjonshastighet, og et lavere treghetsmoment tilsvarer en høyere rotasjonshastighet.
Den japanske kunstløperen Miki Ando, vist her ved vinter-OL 2010 i Vancouver, Canada, er den eneste kvinnen som har utført en firedoblet Salchow. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Men så fine som spinn er, er hopp kanskje de vakreste lærebokeksemplene på fysikk i skøyter. Kunstløpere tar av og seiler gjennom en grasiøs parabolsk kurve og snurrer mens de går. Den avveiningen mellom energi brukt til seiling og spinning er det som gjør hopp til en så vanskelig - og imponerende - del av enhver skøyters rutine.
"Det utgjør tre komponenter: hvor mye kantet momentum lar du isen være, hvor lite kan du gjøre ditt treghetsmoment i luften, og hvor mye tid du kan bruke i luften, " sier James Richards, professor i kinesiologi og anvendt fysiologi ved University of Delaware som har jobbet med olympiske kunstløpere og deres trenere for å forbedre hoppeteknikkene deres. Hans gruppe fant ut at de fleste skøyteløpere hadde det nødvendige vinkelmomentet som forlater isen, men noen ganger hadde problemer med å få nok rotasjonshastighet til å fullføre hoppet.
Til og med ørsmå endringer i armstilling halvveis i rotasjonen kan føre til et vellykket gjennomført hopp. "Det som er sjokkerende er hvor lite som må til for å gjøre en stor forskjell, " sier han. "Du beveger armene tre eller fire grader, og det øker spinnhastigheten ganske mye."
Først hadde laboratoriet noen problemer med å oversette disse funnene til råd for skatere. "Feltet mitt er fantastisk når det gjelder å lage diagrammer, plott og grafer og tabeller, " sier han. Men det var ikke mediene som skøyteløpere og trenere best absorberte. "Vi tok all den matematikken og kokte den ned til en veldig enkel konstruksjon." Spesielt tok de høyhastighetsvideoer av skaterne og overførte dataene til en avatar av skateren. Så ville de gå inn og finpusse kroppsposisjonen ved hopppunktet der skøyteløperen hadde litt rom å forbedre seg.
Skøyteløperen kunne da se sammenligningen mellom hva de gjorde og hvordan hoppet ville se ut med noen små modifikasjoner. "Alt vi endrer kan gjøres, " sier han. "Vi går tilbake og ser på kreftene som kreves for skaterne for å gjøre dette og sørge for at de alle ligger godt innenfor skaterens styrkegrense, og det viser seg å være en liten brøkdel av deres maksimale styrke." Skatere har fremdeles å bruke mye tid på isen og venne seg til endringene, men visualiseringsverktøyene hjelper dem å vite hva de skal jobbe med.
For å forbedre olympiske skatere 'hoppeteknikker, gjorde Richards' gruppe høyhastighetsfilm av skatere til disse spinnende avatarer. (Med tillatelse Jim Richards) Overraskende fant Richards 'gruppe at å rotere raskt nok var mer en mental enn en fysisk utfordring for skatere. "Det ser ut til å være en fartsgrense som er internt kablet, " sier han, selv om denne maksimale hastigheten varierer fra person til person. Det kan ta uker eller måneder for en idrettsutøver å trene seg til å snurre raskere enn deres naturlige komfortsone.
Deborah King, professor i trenings- og idrettsvitenskap ved Ithaca College, har sett på hvordan skøyteløpere beveger seg fra doble til tredobbel - og tremannsrom til firedobler. “Hvordan trenger skøyteløperen å balansere eller optimalisere tiden som brukes i lufta?” Spør hun.
Skøyteløpere som pålitelig kan fullføre tredoble eller firedoblede hopp, sier hun, har en tendens til å tilbringe den samme mengden tid i lufta uansett hva slags hopp de utfører. Deres vinkelmoment ved begynnelsen av hoppet kan være litt høyere for trippel eller firedobler enn for dobler, men hoveddelen av forskjellen er hvordan de kontrollerer treghetsmomentet.
Når det er sagt, kan små forskjeller i andre aspekter av hoppet gjøre en forskjell. Selv en liten bøyning i hoftene og knærne kan la skaterne lande med et lavere massesenter enn de startet med, og kanskje kaste ut noen dyrebare rotasjonsgrader og en bedre kroppsposisjon for landing.
Det er en avveining mellom vertikal hastighet og vinkelmoment. For å hoppe høyere, kan skøyteløpere bygge styrke, noe som kan føre til at de får muskelmasse. Den ekstra massen kan øke deres treghetsmoment ytterligere og dempe dem i lufta. "Du kan tape mer på økningen i treghetsmoment enn du får på økt tid i luften, " sier Richards. Med andre ord, å oppnå balanse på isen tar sin egen balanse.
For tiden maksimerer menn på olympisk nivå ved firedoblede hopp, mens kvinner vanligvis stopper ved tredobling. (Så langt er den japanske skøyteløperen Miki Ando den eneste kvinnen som har fullført et firedoblet hopp i konkurranse.) Dette får de som studerer skøyter til fysikk til å lure på: er kvadrater en hard grense? "I henhold til det gjeldende regelverket, ja, det tror jeg, " sier Richards. Skøyteløpere som går på firedoblede hopp, trekker allerede armene veldig nær kroppen, så det er ikke mye plass til å forbedre treghetsøyeblikket og rotere raskere. Og å hoppe mye høyere vil trolig kreve å bygge mer muskelmasse, noe som vil redusere rotasjonen.
King er mer optimistisk. "En kvint ville potensielt være mulig, " sier hun. Historisk sett legger hun til at det vanligvis tar noen tiår å legge en ekstra rotasjon til et bestemt kunstløp, så vi bør ikke forvente dem før i det minste på 2030-tallet. For å komme fra firedobler til kvintupler, må skøyteløpere hoppe litt høyere, få litt mer kantete momentum og redusere treghetsmomentet. "Det gjelder å se på hvor mye de potensielt kan endre tallene realistisk, " sier hun.
Å øke rotasjonshastigheten i lufta ville være en nødvendig del av landingshoppene. I et eksperiment viste laboratoriet til Richards hvordan det kan være mulig. Forskere ga skatere små håndvekter; da skatere førte armene inn betydde den økte vekten at det skjedde en større endring i treghetsmomentet, noe som ga rotasjonshastigheten et løft. (I en kontorstol, hvis du starter med bøker eller andre vekter i hendene, vil du øke enda mer når du trekker armene inn.)
Faktisk roterte skatere raskere med vekten i hendene, selv om forskerne fant ut at de kompenserte for endringen også. Etter det første hoppet trakk de armene mindre for å opprettholde den samme rotasjonshastigheten de hadde uten vektene. Likevel, hvis en skøyteløper ønsket å ta et femte hopp, kunne håndvekter hjelpe dem å få den rotasjonshastigheten som er nødvendig for å fullføre alle disse svingene.
For olympiske skatere er det imidlertid bare et ørlite problem. "Jeg tror det også er juks, " sier Richards.
