Sel kuul Pyeongchangis pimestavad füüsika- ja materjaliteaduse asjatundjate eliitrühmad kogu maailmast meid ilmekalt armu ja jõu kuvamisega. Me nimetame neid eksperte tavaliselt sportlasteks. Gümnasistid demonstreerivad oma peent mõistmist gravitatsiooni ja impulsi kohta. Ujujad ja sukeldujad valdavad vedeliku dünaamikat ja pindpinevust. Suusatajad rakendavad oma teadmisi hõõrdumisest ja hüdroloogiast ning lugerid lükkavad oma aerodünaamika karkassid piiridesse. Olümplased mõistavad ju teadust vistseraalsel tasandil viisil, mida enamik meist ei mõista.
Seotud sisu
- Naiste iluuisutamise lühiajalugu
- Esimesed uisud polnud mõeldud hüpeteks ja keeristeks - need olid mõeldud liikumiseks
Üks parimaid kohti selle füüsilise jõu mitmekesisuse uurimiseks on iluuisutamine. Uisutaja iga pöörde, pöörde ja hüppe algus on tasakaal. Ja tasakaal sõltub sellest, et suudate hoida teie massikeskust - mis, nagu nimigi viitab, on objekti massi keskpunkt - otse jääga kokkupuutepunktis. Ülimalt sümmeetrilise objekti, näiteks ringi või kera, jaoks, mis asub surnud keskpunktis. Inimkeha kergema, konarlikuma kuju korral on massi keskpunkt inimeselt erinev, kuid kipub olema pisut nabast madalamal. Liugurite, keerutuste, õhkutõusmiste ja maandumiste kaudu peab iluuisutaja hoidma oma massikeskme jääga kinnitatud jalaga keskpunktis või riskima trummelkuivatusega.
Iluuisutamises pole oluline ainult massikeskus. Inertsmoment, mis näitab massi jaotumist raskuskeskme suhtes, muudab ka vahet. Kui uisutaja sooritab pimestava keerutuse, kontrollivad nad oma pöörlemiskiirust, tõmmates käsi sisse, et vähendada inertsimomenti, kiirendada pöörlemist või laiali sirutada, et vähendada inertsimomenti ja aeglast pöörlemist.
Inimesed, kes eelistavad füüsikat kogeda vähem libedal pinnal, saavad pikitud kätega kontoritoolis ringi keerutada: tõmmake käed sisse ja tsentrifuugimiskiirus suureneb. See suurenemine on tingitud põhimõttest, mida nimetatakse nurkkiiruse säilitamiseks. Suurem inertsmoment vastab madalamale pöörlemiskiirusele ja väiksem inertsmoment vastab suuremale pöörlemiskiirusele.
Jaapani iluuisutaja Miki Ando, keda näidati siin 2010. aasta taliolümpiamängudel Kanadas Vancouveris, on ainus naine, kes on neljakordse Salchowi edukalt esitanud. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Kuid nii kena kui keerutused, võivad hüpped olla uisutamise füüsika kõige ilusamad õpikute näited. Iluuisutajad startivad ja purjetavad läbi graatsilise paraboolse kurvi, pöörledes edasi minnes. Purjetamiseks ja ketramiseks kasutatud energia vaheline kompromiss teeb hüpped hüppeliselt raskeks ja muljetavaldavaks osaks uisutaja rutiinist.
"See koosneb kolmest komponendist: kui suure nurkkiirusega jätate jää, kui väikese saate oma inertsimomendi õhus muuta ja kui palju aega saate õhus veeta, " ütleb James Richards, kinesioloogia ja rakendusfüsioloogia Delaware ülikoolis, kes on teinud koostööd olümpia iluuisutajate ja nende treeneritega nende hüppetehnika täiustamisel. Tema grupp leidis, et enamikul uisutajatel oli jääst lahkumiseks vajalik nurkkiirus, kuid mõnikord oli tal raskusi hüppe lõpetamiseks piisavalt pöörlemiskiirusega.
Isegi väikesed muudatused käe asendis pöörde ajal võivad viia edukalt sooritatud hüppeni. "Mis on šokeeriv, on see, kui palju on vaja tohutu muutuse saavutamiseks, " ütleb ta. "Liigutate käsi kolm või neli kraadi ja see suurendab keerutamiskiirust üsna pisut."
Alguses oli laboril raskusi nende leidude tõlkimisel uisutajate nõuanneteks. "Minu väli on suurepärane graafikute ja graafikute ning graafikute ja tabelite tegemisel, " ütleb ta. Kuid need polnud meedia, mida uisutajad ja treenerid kõige paremini imendasid. “Võtsime kogu selle matemaatika ja keetsime selle väga lihtsaks konstruktsiooniks.” Täpsemalt, nad tegid uisutajate kiireid videoid ja edastasid need andmed uisutaja avatari juurde. Siis läheksid nad sisse ja näpistaksid kehaasendit hüppekohas, kus uisutajal oli veel ruumi parandada.
Uisutaja nägi siis väikeste modifikatsioonide abil nende tehtud võrdlust ja hüppe väljanägemist. "Kõik, mida muudame, on võimalik ära teha, " ütleb ta. "Me läheme tagasi ja vaatame uisutajate jaoks selleks vajalikke jõude ning veenduge, et kõik püsiksid uisutaja tugevuspiirides ning see osutub väikeseks osaks nende maksimaalsest tugevusest." Uisutajatel on veel veeta palju aega jääl muudatustega harjunud, kuid visualiseerimisriistad aitavad neil teada, millega nad töötama peaksid.
Olümpia uisutajate hüppetehnika parandamiseks muutis Richardsi rühm uisutajate kiire film nendeks keerlevateks avatarideks. (Viisakalt Jim Richards) Üllatavalt leidis Richardsi rühm, et piisavalt kiiresti pöörlemine on uisutajate jaoks pigem vaimne kui füüsiline katsumus. "Näib, et on olemas kiirusepiirang, mis on sisemiselt juhtmega, " ütleb ta, kuigi see maksimaalne kiirus varieerub inimeselt. Sportlasel võib kuluda nädalaid või kuid, kui ta treenib end kiiremini kui tema loomulik mugavustsoon.
Ithaca kolledži liikumis- ja sporditeaduste professor Deborah King on vaadelnud, kuidas uisutajad liiguvad kahekordsetest kolmekesi ja kolmekesi neljakesi. “Kuidas peab uisutaja õhus veedetud aega tasakaalustama või optimeerima?” Küsib ta.
Uisutajad, kes suudavad kolme- või neljakordseid hüppeid usaldusväärselt sooritada, kulutavad tema sõnul õhus sama palju aega, olenemata sellest, milliseid hüppeid nad teostavad. Nende nurkkiirus hüppe alguses võib olla kolmekordsete või neljakordsete puhul pisut suurem kui kahekordsete puhul, kuid erinevus seisneb peamiselt selles, kuidas nad juhivad inertsimomenti.
Siiski võivad pisikesed erinevused hüppe teistes aspektides midagi muuta. Isegi väike puusade ja põlvede painutamine võib lubada uisutajal maanduda madalama massikeskmega, kui nad alustasid, ehk võib see välja viia mõne väärtusliku pöördenurga ja maandumiseks parema kehaasendi.
Vertikaalse kiiruse ja nurkkiiruse vahel on kompromiss. Kõrgemale hüppamiseks võivad uisutajad ehitada jõudu, mis võib põhjustada lihasmassi suurenemist. See lisamass võib nende inertsimomenti veelgi suurendada, aeglustades neid õhus. "Te võite inertsimomendi suurenemisega kaotada rohkem, kui võidate suurenenud õhus viibimise ajal, " ütleb Richards. Teisisõnu - jääl tasakaalu saavutamine võtab oma tasakaalu.
Praegu pingutavad olümpia tasemel mehed neljakordsete hüpetega, naised aga tavaliselt kolmikutega. (Siiani on Jaapani iluuisutaja Miki Ando ainus naine, kes võistlusel nelikhüppe edukalt läbi viinud.) See viib need, kes uisutavad füüsikat uisutamist, mõtlema: kas nelikel on kõva piir? "Praeguste reeglite kohaselt jah, ma usun, et see on, " ütleb Richards. Neljakordseid hüppeid tegevad uisutajad tõmbavad käed juba kehale väga lähedale, nii et inertsimomendi parandamiseks ja kiiremini pööramiseks pole palju ruumi. Ja palju kõrgemale hüppamine eeldaks tõenäoliselt suurema lihasmassi ehitamist, mis aeglustaks pöörlemist.
King on optimistlikum. "Pint on potentsiaalselt võimalik, " ütleb ta. Ajalooliselt, lisab ta, kulub tavaliselt mõnele iluuisutamishüppele täiendava pöörde lisamiseks paar aastakümmet, nii et me ei peaks neid ootama vähemalt 2030. aastateni. Neljakordsetest neljakesi jõudmiseks peaksid uisutajad hüppama natuke kõrgemale, saama natuke nurgelisemaid impulsse ja vähendama inertsimomenti. "On vaja vaadata, kui palju nad võiksid neid numbreid reaalselt muuta, " ütleb ta.
Pöörlemiskiiruse suurendamine õhus oleks vajalik nelikhüpete maandumiseks. Richardsi labor näitas ühes katses, kuidas see võib olla võimalik. Teadlased andsid uisutajatele väikesed käsikaalud; kui uisutajad tõid käed sisse, tähendas suurenenud kaal suuremat inertsimomendi muutust, mis andis nende pöörlemiskiirusele tõuke. (Kui töötoolis alustate raamatute või muude käes olevate raskustega, kiirendate käsivarsi tõmmates veelgi kiiremini.)
Tõepoolest, uisutajad pöörlesid kiiremini käes oleva raskusega, ehkki teadlased leidsid, et ka need kompenseerisid muutused kiiresti. Pärast esimest hüpet tõmbasid nad oma käed vähem sisse, et säilitada sama pöörlemiskiirus, mis neil ilma raskusteta oli. Siiski, kui uisutaja tahaks minna viisnurka hüppama, võiksid käsiraskused aidata neil kõigi nende pöörde sooritamiseks vajaliku pöörlemiskiiruse saavutada.
Olümpia uisutajate jaoks on aga vaid üks pisike probleem. "Usun, et see on ka petmine, " ütleb Richards.
