Tässä kuussa Pyeongchangissa fysiikan ja materiaalitieteen asiantuntijoiden eliittiryhmät ympäri maailmaa häikäisevät meitä näyttävillä armon ja voiman näytöillä. Me kutsumme näitä asiantuntijoita yleisesti urheilijoiksi. Voimistelijat osoittavat hienovaraisen ymmärtävänsä painovoimaa ja vauhtia. Uimat ja sukeltajat hallitsevat nesteiden dynamiikan ja pintajännityksen. Hiihtäjät hyödyntävät kitkaan ja hydrologiaa koskevaa tietämystään, ja lugerit työntävät aerodynamiikka-aukonsa rajoihin. Loppujen lopuksi olympialaiset ymmärtävät tieteen viskeraalitasolla tavalla, jota useimmat meistä eivät ymmärrä.
Asiaan liittyvä sisältö
- Lyhyt historia naisten taitoluistelusta
- Ensimmäiset luistimet eivät olleet hyppyjä ja pyöriä - ne olivat liikkumiseen
Yksi parhaista paikoista tutkia tätä erilaisia fyysisiä voimia on taitoluistelu. Luistelijan jokainen käännös, käännös ja harppaus alkaa tasapainosta. Ja tasapaino perustuu siihen, että pystyt pitämään massakeskipisteesi - joka, kuten nimestä voi päätellä, on kohteen massan keskipiste - suoraan jään kanssa kosketuksessa olevan pisteen yläpuolella. Erittäin symmetriselle esineelle, kuten ympyrä tai pallo, joka on kuolleessa keskuksessa. Ihmisen kehon vaaleamman ja kovemman muodon suhteen massan keskipiste vaihtelee henkilöittäin, mutta on yleensä hieman navan alapuolella. Liukumien, pyörähdysten, lentoonlähtöjen ja laskeutumisten avulla taitoluistelijan on pidettävä massakeskuksensa yhdensuuntaisena jäällä olevan jalan kanssa - tai riski ottaa rumpukki.
Taitoluistelussa ei ole merkitystä vain massakeskukselle. Myös "hitausmomentti", mitta siitä, kuinka massa on jakautunut suhteessa painopisteeseen, tekee myös eron. Kun luistelija suorittaa häikäisevän pyörähdyksen, he säätelevät pyörimisnopeuttaan vetämällä käsivarsi sisään hitausmomentin pienentämiseksi ja pyörimisnopeuden kiihdyttämiseksi tai levittämällä niitä ulos hitauden ja hitaan pyörimissuunnan vähentämiseksi.
Ihmiset, jotka mieluummin kokevat fysiikan vähemmän liukkaalla pinnalla, voivat pyöriä ympäri työtuolissa olkavarten ollessa pidentyneet: Vedä käsivarsiin, ja linkousnopeus kasvaa. Tämä kasvu johtuu periaatteesta, jota kutsutaan kulmavirran säilyttämiseksi. Suurempi hitausmomentti vastaa pienempää pyörimisnopeutta ja pienempi hitausmomentti vastaa suurempaa pyörimisnopeutta.
Japanilainen taitoluistelija Miki Ando, joka esitetään täällä vuoden 2010 talviolympialaisissa Vancouverissa, Kanadassa, on ainoa nainen, joka on menestynyt nelinkertaisesti Salchowissa. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Mutta niin hieno kuin pyörittely, hyppy saattaa olla kauneimpia fysiikan oppikirjasimerkkejä luisteluun. Kaunoluistelijat luopuvat ja purjehtivat siro parabolisen käyrän läpi, pyörittäessään eteenpäin. Tämä purjehdus- ja kehräysenergian välinen kompromissi tekee hyppyistä niin vaikean ja vaikuttavan osan kaikesta luistelijan rutiinista.
"Se koostuu kolmesta osasta: kuinka paljon kulmavirralla jätät jäätä, kuinka pienellä voit tehdä hitausmomentin ilmassa ja kuinka paljon aikaa voit viettää ilmassa", sanoo James Richards, kinesiologia ja sovellettu fysiologia Delawaren yliopistossa, joka on työskennellyt olympiataitoluistelijoiden ja heidän valmentajiensa kanssa hyppytekniikan parantamiseksi. Hänen ryhmänsä havaitsi, että useimmilla luistelijoilla oli tarvittava kulmavirhe jättäessään jäätä, mutta joskus oli vaikeuksia saada riittävästi pyörimisnopeutta hypyn suorittamiseksi.
Jopa pienet muutokset käsivarren asentoon osittain pyörimisen kautta voivat johtaa onnistuneesti suoritettuun hyppyyn. "On järkyttävää, kuinka vähän tarvitaan suuren vaikutuksen saavuttamiseen", hän sanoo. "Siirrät käsiäsi kolme tai neljä astetta, ja se lisää linkousnopeutta melko vähän."
Aluksi laboratoriossa oli joitain vaikeuksia kääntää nämä löydökset neuvoiksi luistelijoille. "Kenttäni on loistava kaavioiden ja kuvaajien, kaavioiden ja taulukoiden tekemisessä", hän sanoo. Mutta ne eivät olleet mediaa, jonka luistelijat ja valmentajat absorboivat parhaiten. ”Otimme kaiken matematiikan ja keitimme sen hyvin yksinkertaiseksi rakenteeksi.” Erityisesti he ottivat nopeita videoita luistelijoista ja siirsivät tiedot luistelijan avatarille. Sitten he menivät sisään ja säätävät vartaloasentoaan hyppykohdassa, jossa luistelijalla oli tilaa parantaa.
Luistelija näki sitten vertailun siihen, mitä he tekivät ja miltä hyppy näyttäisi pienillä muutoksilla. "Mitä tahansa muutemme, voidaan tehdä", hän sanoo. "Menemme taaksepäin ja katsomme luistelijoiden tarvittavia voimia tämän varmistamiseksi ja varmistamme, että ne ovat kaikki luistelijan vahvuusrajojen sisällä, ja se osoittautuu pieni osa heidän suurimmasta voimastaan." Luistelijoilla on edelleen viettää paljon aikaa jäällä tottuakseen muutoksiin, mutta visualisointityökalut auttavat heitä tietämään, mitä heidän pitäisi työskennellä.
Parantaakseen olympialuistelijoiden hyppytekniikkaa, Richards-ryhmä muutti luistelijoiden nopeaa elokuvaa näiksi kehruuhahmoiksi. (Kohteliaisuus Jim Richards) Yllättäen Richardsin ryhmä havaitsi, että riittävän nopea pyöriminen oli luistelijoiden mielenterveys- eikä fyysinen haaste. "Näyttää olevan sisäisesti johdotettu nopeusrajoitus", hän sanoo, vaikka tämä suurin nopeus vaihtelee henkilöittäin. Voi kestää viikkoja tai kuukausia, kun urheilija harjaa itsensä pyörittämään nopeammin kuin heidän luonnollisen mukavuusalueensa.
Ithaca Collegessa liikunnan ja liikuntatieteiden professori Deborah King on tarkastellut, kuinka luistelijat siirtyvät tupoista kolmoihin ja kolminkertaisuuksista nelinkertaisiin. ”Kuinka luistelijan on tasapainotettava tai optimoitava ilmassa vietetty aika?”, Hän kysyy.
Luistelijat, jotka pystyvät luotettavasti suorittamaan kolmi- tai nelinhyppyjä, hänen mukaansa viettävät saman verran aikaa ilmassa riippumatta siitä, millaisia hyppyjä he suorittavat. Heidän kulmavauhti hypyn alussa voi olla hiukan korkeampi kolminkertaisesti tai nelinkertaistuessa kuin kaksinkertaistuessa, mutta suurin ero on siinä, kuinka he hallitsevat hitausmomenttia.
Pienet erot muissa hypyn osissa voivat kuitenkin vaikuttaa. Jopa pieni lonkan ja polvien taipuminen voi antaa luistelijan laskeutua matalammalla massakeskuksella kuin he aloittivat, ehkäpä erottaen muutaman arvokkaan kiertoasteen ja paremman kehon asennon laskeutumista varten.
Pystysuunnan ja kulman vauhdin välillä on kompromissi. Hyppäämään korkeammalle luistelijat saattavat rakentaa voimaa, mikä voi aiheuttaa heille lihasmassan lisääntymistä. Tämä ylimääräinen massa voisi edelleen lisätä niiden hitausmomenttia hidastaen niitä ilmassa. "Voit menettää enemmän inertin lisääntymisestä kuin voit saada lisääntyneestä ajasta ilmassa", Richards sanoo. Toisin sanoen tasapainon saavuttaminen jäällä vie oman tasapainon.
Nykyään olympialaiset miehet maksimoivat nelinkertaisilla hyppyillä, kun taas naiset pysähtyvät yleensä kolminkertaiseksi. (Toistaiseksi japanilainen luistelija Miki Ando on ainoa nainen, joka on onnistunut suorittamaan nelinkertaisen hyppykilpailun.) Tämä saa luistelun fysiikkaa tutkivia ihmettelemään: ovatko neloset kovaa rajaa? "Nykyisten sääntöjen mukaisesti kyllä, uskon sen olevan", Richards sanoo. Luistelijat, jotka menevät nelinkertaisiin hyppyihin, vetävät jo nyt käsiään hyvin lähellä vartaloa, joten hitausmomentin parantamiseksi ja kiertämiseksi nopeammin ei ole paljon tilaa. Ja hyppääminen paljon korkeammalle vaatisi todennäköisesti rakentamaan enemmän lihasmassaa, mikä hidastaisi pyörimistä alas.
King on optimistisempi. "Quint olisi mahdollisesti mahdollista", hän sanoo. Hän lisää, että yleensä tarvitaan muutaman vuosikymmenen ajan ylimääräisen kierroksen lisääminen tiettyyn taitoluisteluhyppyyn, joten meidän ei pitäisi odottaa niitä ainakaan 2030-luvulle. Jotta nelinkertaisuudesta nelijalkaisiin, luistelijoiden tulisi hypätä hiukan korkeammalle, saada hiukan kulmaisempaa ja vähentää hitausmomenttia. "On kysymys siitä, kuinka paljon he voivat muuttaa näitä lukuja realistisesti", hän sanoo.
Pyörimisnopeuden lisääminen ilmassa olisi välttämätön osa laskevan nelikilpailun hyppyjä. Richardsin laboratorio osoitti kokeessa kuinka se voisi olla mahdollista. Tutkijat antoivat luistelijoille pienet käsipainot; kun luistelijat toivat aseensa sisään, lisääntynyt paino tarkoitti sitä, että hitausmomentissa tapahtui suurempi muutos, mikä antoi heidän kiertonopeudelleen vauhtia. (Jos työtuolissa aloitat kirjoilla tai muilla painoilla käsissäsi, kiihdytät vielä enemmän, kun vedät käsivarsi sisään.)
Todellakin, luistelijat kiertyivät nopeammin käsissään olevien painojen kanssa, vaikka tutkijat havaitsivatkin, että he kompensoivat muutoksen myös nopeasti. Ensimmäisen hypyn jälkeen he vetivät käsiään vähemmän, jotta pyörimisnopeus pysyi samalla tasolla kuin ilman painoja. Silti, jos luistelija halusi mennä nelinkertaiseen hyppyyn, käsipainot voisivat auttaa heitä saamaan pyörimisnopeuden, joka tarvitaan kaikkien näiden käännösten suorittamiseen.
Olympialaisilla luistelijoilla on kuitenkin vain yksi pieni ongelma. "Uskon, että se on myös huijausta", Richards sanoo.
