I denne måned i Pyeongchang vil elitehold af eksperter inden for fysik og materialevidenskab fra hele verden blende os med storslåede udstillinger af nåde og magt. Vi omtaler ofte disse eksperter som atleter. Gymnaster demonstrerer deres subtile forståelse af tyngdekraften og momentum. Svømmere og dykkere mestrer væskedynamik og overfladespænding. Skiløbere udnytter deres viden om friktion og hydrologi, og lugarer skubber deres aerodynamiske koteletter til grænserne. Olympians forstår trods alt videnskab på et visceralt niveau på måder, som de fleste af os ikke gør.
Relateret indhold
- En kort historie om kvindes kunstskøjteløb
- De første skøjter var ikke til hoppe og virvler - de var for at komme sig rundt
Et af de bedste steder at udforske denne række fysiske kræfter er kunstskøjteløb. En skater er hver vri, vending og spring begynder med balance. Og balance er afhængig af at være i stand til at bevare dit massecenter - som, som navnet antyder, er centrum for hvor et objekts masse er placeret - direkte over et kontaktpunkt med isen. For et stærkt symmetrisk objekt som en cirkel eller kugle, er det i det døde centrum. For den lumpier, humpere form af den menneskelige krop, varierer massecentret fra person til person, men har en tendens til at være lidt under navlen. Gennem glider, spins, start og landinger skal en kunstløber holde deres massecenter på linje med en fod på isen - eller risikere at tage en tumle.
Det er ikke kun massens centrum, der betyder noget i kunstskøjteløb. "Træghedsmomentet", et mål på, hvordan denne masse er fordelt i forhold til tyngdepunktet, gør også en forskel. Når en skater udfører en blændende drejning, kontrollerer de deres rotationshastighed ved at trække armene ind for at reducere træghetsmomentet og fremskynde rotationen eller sprede dem ud for at mindske træghetsmomentet og langsom rotation.
Mennesker, der foretrækker at opleve fysik på en mindre glat overflade, kan snurre rundt i en kontorstol med forlængede arme: Træk i armene, og omdrejningshastigheden øges. Denne stigning skyldes et princip kaldet bevarelse af vinkelmoment. Et højere treghedsmoment svarer til en lavere rotationshastighed, og et lavere treghedsmoment svarer til en højere rotationshastighed.
Den japanske kunstskøjteløber Miki Ando, der blev vist her ved vinter-OL 2010 i Vancouver, Canada, er den eneste kvinde, der med succes har udført et firedoblet Salchow. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Men så flot som spins er, er spring muligvis de smukkeste eksempler på fysik i skøjteløb i lærebogen. Kunstløbere løber af og sejler gennem en yndefuld parabolsk kurve, der roterer, mens de går. Den afveksling mellem energi, der bruges til sejlads og spinding, er det, der gør hopp så en vanskelig - og imponerende - del af enhver skaters rutine.
”Det udgør tre komponenter: hvor meget vinkelmoment, du forlader isen med, hvor lille kan du gøre dit øjeblik med inerti i luften, og hvor meget tid du kan bruge i luften, ” siger James Richards, professor i kinesiologi og anvendt fysiologi ved University of Delaware, der har arbejdet med olympiske figurskatere og deres trænere til at forbedre deres hoppeteknikker. Hans gruppe fandt, at de fleste skatere havde den nødvendige vinkelmoment, der forlader isen, men nogle gange havde han problemer med at få tilstrækkelig rotationshastighed til at fuldføre hoppet.
Selv små ændringer i armstilling halvvejs gennem rotationen kan føre til et succesfuldt afsluttet spring. ”Det chokerende er, hvor lidt det kræver at gøre en enorm forskel, ” siger han. "Du bevæger dine arme tre eller fire grader, og det øger spinhastigheden ganske lidt."
Først havde laboratoriet nogle vanskeligheder med at oversætte disse fund til rådgivning til skatere. ”Mit felt er vidunderligt ved at lave diagrammer og diagrammer og grafer og tabeller, ” siger han. Men det var ikke de medier, som skatere og trænere bedst optog. ”Vi tog al den matematik og kogte den ned til en meget enkel konstruktion.” Specielt tog de højhastighedsvideoer af skatere og overførte disse data til en avatar af skaterne. Derefter gik de ind og finjusterede kropspositionen på det punkt, hvor hoppet var, hvor skaterne havde plads til at forbedre sig.
Skaterne kunne derefter se sammenligningen mellem hvad de gjorde og hvordan hoppet ville se ud med nogle små ændringer. ”Alt, hvad vi ændrer, kan gøres, ” siger han. ”Vi går tilbage og ser på de kræfter, der kræves for skatere til at gøre dette og sørge for, at de alle er godt inden for skaterens styrkegrænse, og det viser sig at være en lille brøkdel af deres maksimale styrke.” Skatere har stadig at bruge en masse tid på isen ved at vænne sig til ændringerne, men visualiseringsværktøjerne hjælper dem med at vide, hvad de skal arbejde på.
For at forbedre olympiske skatere 'jump-teknikker gjorde Richards' gruppe højhastighedsfilm af skatere til disse spinning avatarer. (Høflighed Jim Richards) Overraskende fandt Richards 'gruppe, at det at rotere hurtigt nok var mere en mental end en fysisk udfordring for skatere. ”Der ser ud til at være en hastighedsgrænse, der er internt tilsluttet, ” siger han, selvom denne maksimale hastighed varierer fra person til person. Det kan tage uger eller måneder for en atlet at træne sig selv til at snurre hurtigere end deres naturlige komfortzone.
Deborah King, professor i trænings- og sportsvidenskab ved Ithaca College, har set på, hvordan skatere flytter fra doubler til tredobbelt - og tredobbelt til firedobler. ”Hvordan skal skaterne have balance eller optimere den tid, der bruges i luften?” Spørger hun.
Skatere, der pålideligt kan fuldføre tredobbelte eller firedoblede spring, siger hun, har en tendens til at tilbringe den samme mængde tid i luften uanset hvilken slags spring de udfører. Deres vinkelmoment ved begyndelsen af hoppet kan være lidt højere for tredobbelt eller firdobbelt end for fordoblinger, men størstedelen af forskellen er, hvordan de styrer treghetsmomentet.
Når det er sagt, kan små forskelle i andre aspekter af hoppet gøre en forskel. Selv en lille bøjning i hofter og knæ kan give skaterne mulighed for at lande med et lavere massecenter, end de begyndte med, måske også udskifte et par dyrebare rotationsgrader og en bedre kropsposition til landing.
Der er en afvejning mellem lodret hastighed og vinkelmoment. For at hoppe højere kan skatere muligvis opbygge styrke, hvilket kan få dem til at få muskelmasse. Den ekstra masse kunne øge deres træghetsmoment yderligere og bremse dem i luften. ”Du kan miste mere fra stigningen i træghetsmoment, end du får ved øget tid i luften, ” siger Richards. Med andre ord, at opnå balance på isen tager sin egen balance.
I øjeblikket maksimerer mænd på olympisk niveau ved firedoblede spring, mens kvinder normalt stopper ved tredoblinger. (Indtil videre er den japanske skater Miki Ando den eneste kvinde, der med succes har gennemført et firedoblet spring i konkurrence.) Dette får dem, der studerer skøjteløbets fysik, til at undre sig: er quads en hård grænse? ”I henhold til det nuværende sæt regler, ja, det tror jeg, ” siger Richards. Skatere, der går til firedoblede spring, trækker allerede deres arme meget tæt på kroppen, så der er ikke meget plads til at forbedre treghetsmomentet og rotere hurtigere. Og at hoppe meget højere ville sandsynligvis kræve, at der bygges mere muskelmasse, hvilket vil bremse rotationerne.
King er mere optimistisk. ”En kvint ville muligvis være mulig, ” siger hun. Historisk, tilføjer hun, er det generelt taget et par årtier at tilføje en ekstra rotation til et bestemt kunstskøjteløb, så vi bør ikke forvente dem før mindst i 2030'erne. For at komme fra firdobbel til kvintupler skulle skatebanerne hoppe lidt højere, få lidt mere vinkelmoment og mindske træghetsmomentet. ”Det handler om at se på, hvor meget de potentielt kunne ændre disse tal realistisk, ” siger hun.
Forøgelse af omdrejningshastigheden i luften ville være en nødvendig del af landing af quintuple-spring. I et eksperiment viste Richards laboratorium, hvordan det kunne være muligt. Forskere gav skatere små håndvægte; da skatere bragte deres arme ind, betød den øgede vægt, at der var en større ændring i træghetsmoment, hvilket gav deres rotationshastighed et løft. (I en kontorstol, hvis du starter med bøger eller andre vægte i dine hænder, vil du fremskynde endnu mere, når du trækker dine arme ind.)
Faktisk drejede skatere hurtigere med vægterne i deres hænder, skønt forskerne fandt, at de også kompenserede for ændringen. Efter det første hopp trak de deres arme mindre ind for at opretholde den samme rotationshastighed, de havde uden vægten. Stadig, hvis en skater ønsket at gå i et fjerde spring, kunne håndvægte hjælpe dem med at få den nødvendige rotationshastighed for at fuldføre alle disse sving.
For Olympiske skatere er der imidlertid kun et lille problem. ”Jeg tror, det også snyder, ” siger Richards.
