Tento měsíc v Pyeongchangu nás budou elitní týmy odborníků na fyziku a materiálové vědy z celého světa oslňovat okázalou milostí a silou. Tyto odborníky běžně označujeme jako sportovce. Gymnasté demonstrují své jemné porozumění gravitaci a hybnosti. Plavci a potápěči ovládají dynamiku tekutin a povrchové napětí. Lyžaři využívají své znalosti tření a hydrologie a jezdci tlačí své aerodynamické kotlety na hranice. Olympionové koneckonců chápou vědu na viscerální úrovni způsobem, který většina z nás ne.
Související obsah
- Stručná historie bruslení žen
- První brusle nebyly pro skoky a zkroucení - byly pro obcházení
Jedním z nejlepších míst k prozkoumání této rozmanitosti fyzických sil je krasobruslení. Každý bruslař se otočí, skok a skok začíná rovnováhou. A rovnováha závisí na schopnosti udržet vaše hmotné centrum - což, jak napovídá název, je středem, kde se nachází hmota objektu - přímo nad bodem kontaktu s ledem. Pro vysoce symetrický objekt, jako je kruh nebo koule, je to v úvrati. Pro světlejší a hrbolejší tvar lidského těla se centrum hmoty liší od člověka k člověku, ale má tendenci být trochu pod pupkem. Prostřednictvím klouzání, zatočení, vzletu a přistání musí krasobruslař udržet své těžiště v jedné rovině s nohou na ledě - nebo riskovat pád.
V krasobruslení nezáleží jen na centru hmoty. Rozdíl také představuje „moment setrvačnosti“, měřítko rozdělení hmoty ve vztahu k těžišti. Když bruslař provádí oslnivou rotaci, ovládá svou rotační rychlost zatažením paží dovnitř, aby snížil moment setrvačnosti a urychlil rotaci nebo rozprostřel je, aby snížil moment setrvačnosti a pomalého otáčení.
Lidé, kteří dávají přednost fyzice na méně kluzkém povrchu, se mohou otáčet v kancelářské židli s nataženými pažemi: Zatáhněte za paži a zvyšuje se rychlost odstřeďování. Toto zvýšení je způsobeno principem zvaným zachování hybnosti. Vyšší moment setrvačnosti odpovídá nižší rychlosti otáčení a nižší moment setrvačnosti odpovídá vyšší rychlosti otáčení.
Japonská krasobruslařka Miki Ando, která je zde uvedena na zimních olympijských hrách 2010 ve Vancouveru v Kanadě, je jedinou ženou, která úspěšně provedla čtyřnásobný Salchow. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Ale jak pěkné jsou točení, skoky mohou být nejkrásnějšími příklady z učebnice fyziky v bruslení. Krasobruslaři vzlétají a plují půvabnou parabolickou křivkou, která se točí, jak to jde. Tento kompromis mezi energií používanou k plachtění a předení je to, co dělá skoky tak obtížnou - a působivou - součástí rutiny každého bruslaře.
"To se rovná třem složkám: s jakou úhlovou hybností opouštíte led, jak malý si můžete udělat moment setrvačnosti ve vzduchu a kolik času můžete strávit ve vzduchu, " říká James Richards, profesor kineziologie a aplikovaná fyziologie na University of Delaware, která spolupracovala s olympijskými krasobruslaři a jejich trenéry na zdokonalení skokových technik. Jeho skupina zjistila, že většina bruslařů měla potřebný moment hybnosti opouštějící led, ale občas měla potíže získat dostatečnou rotační rychlost k dokončení skoku.
Dokonce i nepatrné změny polohy paže během rotace by mohly vést k úspěšně dokončenému skoku. "Šokující je to, jak málo je zapotřebí, aby se obrovský rozdíl, " říká. "Pohybujete pažemi o tři nebo čtyři stupně a trochu to zvyšuje rychlost odstřeďování."
Laboratoř měla nejprve potíže s převedením těchto zjištění na radu pro bruslaře. "Moje pole je úžasné ve vytváření grafů a grafů, grafů a tabulek, " říká. Nebyla to však média, která bruslaři a trenéři nejlépe vstřebali. „Vzali jsme si celou tu matematiku a zvařili ji na velmi jednoduchou konstrukci.“ Konkrétně vzali vysokorychlostní videa bruslařů a přenesli tato data do avatara bruslaře. Pak vstoupili a vyladili polohu těla v bodě skoku, kde měl bruslař prostor pro zlepšení.
Bruslař pak viděl srovnání mezi tím, co udělali a jak by vypadal skok s malými úpravami. "Všechno, co změníme, se dá udělat, " říká. "Vracíme se a podíváme se na síly potřebné pro bruslaře, aby to dokázali a ujistili se, že jsou všichni v mezích pevnosti bruslaře, a ukázalo se, že to je malý zlomek jejich maximální síly." Bruslaři stále mají trávit spoustu času na ledu zvykáním na změny, ale vizualizační nástroje jim pomáhají vědět, na čem by měli pracovat.
Pro zlepšení skokových technik olympijských bruslařů skupina Richards změnila vysokorychlostní film bruslařů na tyto rotující avatary. (Zdvořilost Jim Richards) Richardsova skupina překvapivě zjistila, že rotace dostatečně rychle byla pro bruslaře duševní než fyzická výzva. "Zdá se, že existuje interní rychlostní limit, " říká, ačkoli se tato maximální rychlost liší od osoby k člověku. Může to trvat týdny nebo měsíce, než se sportovec trénuje, aby se točil rychleji, než je jeho přirozená zóna pohodlí.
Deborah King, profesor pohybových a sportovních věd na Ithaca College, se zabývala tím, jak se bruslaři pohybují od čtyřhra k trojnásobku - a trojnásob k čtyřnásobkům. „Jak potřebuje bruslař vyrovnat nebo optimalizovat čas strávený ve vzduchu?“ Ptá se.
Bruslaři, kteří mohou spolehlivě dokončit trojité nebo čtyřnásobné skoky, říká, mají sklon trávit stejné množství času ve vzduchu bez ohledu na to, jaký druh skoku provádějí. Jejich hybná hybnost na začátku skoku může být o něco vyšší pro trojnásobek nebo čtyřnásobek než pro zdvojnásobení, ale většina rozdílu spočívá v tom, jak ovládají moment setrvačnosti.
To znamená, že drobné rozdíly v jiných aspektech skoku mohou změnit. I malé zatáčky v bokech a kolenou mohou umožnit bruslaři přistát s nižším těžištěm, než začaly, možná vytrhnout několik vzácných stupňů rotace a lepší polohu těla pro přistání.
Existuje kompromis mezi vertikální rychlostí a momentem hybnosti. Aby mohli bruslaři vyskočit výše, mohli si vybudovat sílu, která by mohla způsobit, že získají svalovou hmotu. Tato zvláštní hmota by mohla dále zvýšit jejich moment setrvačnosti a zpomalit je ve vzduchu. "Z nárůstu momentu setrvačnosti můžete ztratit více, než získáte ze zvýšeného času ve vzduchu, " říká Richards. Jinými slovy, dosažení rovnováhy na ledě má svou vlastní rovnováhu.
V současné době se muži na olympijské úrovni maximalizují při čtyřnásobných seskoky, zatímco ženy se obvykle zastavují na trojnásobku. (Zatím je japonský bruslař Miki Ando jedinou ženou, která úspěšně dokončila čtyřnásobný skok v soutěži.) To vede ty, kdo studují fyziku bruslení, k údivu: jsou čtyřkolky tvrdým limitem? "Podle současného souboru pravidel ano, myslím, že ano, " říká Richards. Bruslaři, kteří jdou na čtyřnásobné skoky, již přitahují ruce těsně k tělu, takže není dostatek prostoru ke zlepšení momentu setrvačnosti a rychleji se točí. A skákání mnohem výše by pravděpodobně vyžadovalo vybudování větší svalové hmoty, což by zpomalilo rotaci dolů.
Král je optimističtější. "Potenciální by bylo možné, " říká. Historicky, dodává, obvykle trvá několik desetiletí, než se přidá další rotace ke skoku s konkrétním krasobruslařem, takže bychom je neměli očekávat alespoň do 20. let 20. století. Aby se bruslaři dostali z čtyřnásobných na pětinásobný, museli by vyskočit o něco výše, získat trochu větší úhlovou hybnost a snížit moment setrvačnosti. "Je to záležitost pohledu na to, jak moc by mohla potenciálně změnit tato čísla realisticky, " říká.
Nezbytnou součástí skoků do přistání by bylo zvýšení rychlosti otáčení ve vzduchu. V experimentu Richardsova laboratoř ukázala, jak by to bylo možné. Vědci dali bruslařům malé ruční váhy; Když bruslaři přinesli paže dovnitř, zvýšená hmotnost znamenala, že došlo k větší změně momentu setrvačnosti, což zvýšilo jejich rotační rychlost. (Pokud v kancelářské židli začnete s rukama v ruce s knihami nebo jinými závažími, zrychlíte to ještě více, když zatáhnete za paži.)
Opravdu, bruslaři otáčeli rychleji s váhami v ruce, ačkoli vědci zjistili, že také rychle kompenzovali změnu. Po prvním skoku natáhli ruce v menší míře, aby udrželi stejnou rotační rychlost, jakou měli bez závaží. Pokud by však bruslař chtěl jít na pětinásobný skok, ruční závaží by jim mohla pomoci získat rotační rychlost potřebnou k dokončení všech těchto zatáček.
Pro olympijské bruslaře je však jen jeden nepatrný problém. "Věřím, že to také podvádí, " říká Richards.
