Как физика держит фигуристов изящно в воздухе

В этом месяце в Пхенчхане элитные команды экспертов по физике и материаловедению со всего мира поразят нас показными проявлениями грации и силы. Мы обычно называем этих экспертов спортсменами. Гимнасты демонстрируют свое тонкое понимание гравитации и импульса. Пловцы и дайверы осваивают динамику жидкости и поверхностное натяжение. Лыжники используют свои знания в области трения и гидрологии, а люгеры доводят свои аэродинамические характеристики до предела. В конце концов, олимпийцы понимают науку на интуитивном уровне так, как большинство из нас не понимают.

Одним из лучших мест для изучения этого разнообразия физических сил является фигурное катание. Каждый поворот, поворот и прыжок фигуриста начинается с баланса. А баланс зависит от способности удерживать свой центр масс, который, как следует из названия, является центром того, где находится масса объекта, - непосредственно над точкой контакта со льдом. Для высокосимметричного объекта, такого как круг или сфера, который находится в мертвой точке. Для более пухлой, бугристой формы человеческого тела центр масс варьируется от человека к человеку, но имеет тенденцию быть немного ниже пупка. Скользя, вращаясь, взлетая и приземляясь, фигурист должен держать свой центр масс вровень со ступней на льду - или рискнуть упасть.

В фигурном катании важен не только центр масс. «Момент инерции», мера распределения этой массы относительно центра тяжести, также имеет значение. Когда фигурист выполняет ослепительное вращение, он контролирует скорость вращения, вытягивая руки, чтобы уменьшить момент инерции и ускоряя вращение, или разводя их, чтобы уменьшить момент инерции и медленное вращение.

Люди, которые предпочитают испытывать физику на менее скользкой поверхности, могут вращаться в офисном кресле с вытянутыми руками: потяните руки, и скорость вращения увеличится. Это увеличение связано с принципом сохранения момента импульса. Более высокий момент инерции соответствует более низкой скорости вращения, а более низкий момент инерции соответствует более высокой скорости вращения.

Более высокий момент инерции соответствует более низкой скорости вращения, а более низкий момент инерции соответствует более высокой скорости вращения

Японская фигуристка Мики Андо, показанная здесь на зимних Олимпийских играх 2010 года в Ванкувере, Канада, является единственной женщиной, успешно выполнившей четверной сальхов. (ZUMA Press, Inc. / Alamy)

Но как ни крути спины, прыжки могут быть самыми красивыми учебниками физики в фигурном катании. Фигуристы взлетают и плывут по грациозной параболической кривой, вращаясь по ходу движения. Этот компромисс между энергией, используемой для плавания и вращения, делает прыжки такой сложной и впечатляющей частью повседневной работы любого фигуриста.

«Он состоит из трех компонентов: с каким моментом импульса вы покидаете лед, насколько малым вы можете сделать момент инерции в воздухе и сколько времени вы можете провести в воздухе», - говорит он. Джеймс Ричардс Профессор кинезиологии и прикладной физиологии в Университете штата Делавэр, который работал с олимпийскими фигуристами и их тренерами над совершенствованием техники прыжков. Его группа обнаружила, что у большинства фигуристов был необходимый момент импульса, покидающий лед, но иногда возникали проблемы с получением достаточной скорости вращения для завершения прыжка.

Даже крошечные изменения в положении руки во время вращения могут привести к успешному завершению прыжка. «То, что шокирует, так это то, как мало нужно, чтобы иметь огромное значение, - говорит он. «Вы двигаете руками на три или четыре градуса, и это немного увеличивает скорость вращения».

Сначала лаборатории было трудно преобразовать эти результаты в советы для фигуристов. «Моя область замечательна в создании диаграмм и графиков, графиков и таблиц», - говорит он. Но это были не те средства массовой информации, которые фигуристы и тренеры лучше всего восприняли. «Мы взяли всю эту математику и свели ее к очень простой конструкции». В частности, они сняли высокоскоростные видео с фигуристами и передал эти данные аватару фигуриста , Затем они входили и настраивали положение тела в точке прыжка, где у фигуриста было место для улучшения.

Затем фигурист мог увидеть сравнение между тем, что он сделал, и тем, как будет выглядеть прыжок с некоторыми небольшими изменениями. «Все, что мы изменим, может быть сделано», - говорит он. «Мы возвращаемся назад и смотрим на силы, необходимые для того, чтобы фигуристы сделали это, и проверяем, все ли они находятся в пределах предела прочности фигуриста, и оказывается, что это небольшая часть их максимальной силы». потратить много времени на лед, чтобы привыкнуть к изменениям, но инструменты визуализации помогают им понять, над чем им следует работать.

Чтобы улучшить технику прыжков олимпийских фигуристов, группа Ричардса превратила скоростной фильм о фигуристах в этих вращающихся аватаров. (Любезность Джим Ричардс)

Удивительно, но группа Ричардса обнаружила, что вращение достаточно быстро было скорее психологическим, чем физическим испытанием для фигуристов. «Похоже, что есть ограничение скорости, которое внутренне связано», - говорит он, хотя эта максимальная скорость варьируется от человека к человеку. Спортсмену могут потребоваться недели или месяцы, чтобы научиться вращаться быстрее, чем его естественная зона комфорта.

Дебора Кинг Профессор физкультуры и спортивных наук в Итака-колледже изучил, как фигуристы переходят от двойных к тройным - от тройных к четырехкратным. «Как фигурист должен сбалансировать или оптимизировать время, проведенное в воздухе?» - спрашивает она.

По ее словам, фигуристы, которые могут надежно выполнять тройные или четверные прыжки, проводят в воздухе одинаковое количество времени независимо от того, какой прыжок они выполняют. Их угловой момент в начале прыжка может быть немного выше для тройки или четверки, чем для двойников, но большая часть разницы заключается в том, как они контролируют момент инерции.

Тем не менее, крошечные различия в других аспектах прыжка могут иметь значение. Даже небольшой изгиб бедер и коленей может позволить приземлителю приземлиться с более низким центром масс, чем он начал, возможно, получая несколько драгоценных градусов вращения и лучшее положение тела для приземления.

Существует компромисс между вертикальной скоростью и угловым моментом. Чтобы прыгнуть выше, фигуристы могут нарастить силу, которая может заставить их набирать мышечную массу. Эта дополнительная масса может еще больше увеличить момент их инерции, замедляя их в воздухе. «Вы можете потерять больше от увеличения момента инерции, чем от увеличения времени в воздухе», - говорит Ричардс. Другими словами, достижение баланса на льду требует своего баланса.

В настоящее время мужчины олимпийского уровня делают максимум в четырехкратных прыжках, в то время как женщины обычно останавливаются в тройных прыжках. (До сих пор японская фигуристка Мики Андо была единственной женщиной, которая успешно выполнила четырехкратный прыжок в соревнованиях.) Это заставляет задуматься тех, кто изучает физику катания на коньках: является ли квадроцикл жестким ограничением? «Согласно действующему набору правил, да, я верю, что это так, - говорит Ричардс. Фигуристы, выполняющие четверные прыжки, уже тянут руки очень близко к телу, поэтому нет места для улучшения момента инерции и более быстрого вращения. А прыжки намного выше, вероятно, потребуют наращивания мышечной массы, что замедлит вращения.

Кинг более оптимистичен. «Квинт может быть возможен», - говорит она. Исторически, добавляет она, обычно требуется несколько десятилетий, чтобы добавить дополнительный поворот к определенному прыжку с фигурного катания, поэтому мы не должны ожидать их, по крайней мере, до 2030-х годов. Чтобы перейти от четверок к пятеркам, фигуристам нужно было бы подскочить немного выше, получить немного больший момент импульса и уменьшить момент инерции. «Это вопрос того, насколько реально они могут изменить эти цифры», - говорит она.

Увеличение скорости вращения в воздухе будет необходимой частью приземления в пятикратных прыжках. В эксперименте лаборатория Ричардса показала, как это возможно. Исследователи давали фигуристам небольшие ручные гири; когда фигуристы поднесли руки, увеличенный вес означал, что в момент инерции произошли большие изменения, что увеличило их скорость вращения. (В офисном кресле, если вы начинаете с книгами или другими гирьками в руках, вы будете ускоряться еще больше, когда вытягиваете руки.)

Действительно, фигуристы вращались быстрее с гирями в руках, хотя исследователи обнаружили, что они также быстро компенсировали изменение. После первого прыжка они стали меньше тянуть руки, чтобы поддерживать ту же скорость вращения, что и без веса. Тем не менее, если фигурист хотел совершить пятикратный прыжок, вес руки мог бы помочь им получить скорость вращения, необходимую для выполнения всех этих поворотов.

Для олимпийских фигуристов, однако, есть только одна крошечная проблема. «Я верю, что это также обман», - говорит Ричардс.

«Как фигурист должен сбалансировать или оптимизировать время, проведенное в воздухе?
Это заставляет задуматься тех, кто изучает физику катания на коньках: является ли квадроцикл жестким ограничением?