Fizica patinajului artistic
Acest segment face parte din Jocurile Olimpice de iarnă reflectoare
În timp ce urlați și zburați la salturile puternice și rotirile agile pe gheață la Jocurile Olimpice, este posibil să nu vă dați seama că urmăriți fizica în acțiune. Fiecare salt necesită un echilibru atent între potrivirea timpului în aer cu viteza și numărul de rotații. Deborah King, profesor de științe sportive și sport la Colegiul Ithaca, ne ajută să deconstruim un salt de patinaj artistic printr-o perspectivă fizică. Iată ce se întâmplă.
Decolarea
Pe măsură ce un patinator se pregătește pentru un salt, ei acumulează impuls unghiular. Acest lucru ajută la conducerea rotirilor unui patinator și poate fi considerat un potențial de rotire. Un număr de factori intră în acest potențial: poziția inițială a patinatorului, modul în care această poziție se schimbă în timpul decolării și forța pe care o creează împotriva gheții în timp ce părăsesc suprafața. „În esență, pe măsură ce se desprind de gheață și se împing în jos pentru a obține viteza lor verticală, trebuie, de asemenea, să împingă gheața mai mult lateral, astfel încât să poată începe să se întoarcă pe gheață și să obțină un anumit impuls de rotație, ”Spune King într-un apel telefonic cu Science Friday. Și apoi - voilă! - Patinatorul se ridică în aer.
Saltul
King estimează că patinatoarele profesionale salt adesea de aproximativ 16 inci de pe gheață, în timp ce masculii ajung la aproximativ 20 inci. Dar capacitatea de a sari sus vine cu un compromis. Pentru a crește înălțimea saltului, un patinator trebuie să-și mărească puterea. Dar o creștere a forței înseamnă adesea o creștere a greutății musculare - ceea ce ar putea însemna o viteză de rotație mai mică.
Spinul
Odată ce un patinator sare în aer, ei sunt blocați cu oricât de mare impuls unghiular au creat. Dar un patinator poate sa schimbă un lucru: momentul de inerție. Momentul de inerție determină cât de ușor este pentru un obiect să accelereze sau să încetinească și descrie rezistența împotriva căreia acționează o forță. Un moment mai mare de inerție - ca atunci când un patinator își extinde brațele - va duce la o viteză de rotație mai mică. Dar un moment mai mic de inerție - ca atunci când un patinator își îmbrățișează strâns brațele în corp - va duce la o rotire mai rapidă.
Aterizarea
Patinatorii nu sunt liberi odată ce își finalizează rotațiile. Încă trebuie să facă acele salturi, dar asta nu este un lucru ușor. Unii estimează că patinatorii afectează gheața cu o forță de cinci până la opt ori mai mare decât greutatea corporală. Asta înseamnă că patinatorul olimpic Nathan Chen, care cântărește 135 de kilograme, ar putea lovi gheața cu peste o jumătate de tonă de greutate. Patinatorii trebuie să disipeze majoritatea energiei lor în aterizare, care are loc într-o perioadă foarte mică de timp.
„Ar fi ca și cum ai trânti frâna să te oprești la 60 de mile pe oră”, explică King. „Se opresc foarte repede, așa că este nevoie de multă forță”.
De ce se opresc atât de repede? În primul rând, lama și cizmul de patinaj sunt rigide, ceea ce scoate patinatorii o parte din flexibilitatea piciorului și a gleznei. Nu pot răspândi disiparea energiei pe o perioadă mai lungă de timp și pe o gamă mai mare de mișcare, ca un jucător de volei care aterizează cu glezne îndoite, genunchi și șolduri. În plus, lama rigidă coboară pe o podea de beton acoperită cu gheață.
Produsul final
King se alătură Ira pentru a discuta despre fizica patinajului artistic. I se alătură David Wang, director clinic al Elite Sports Medicine la Connecticut Children's Medical Center, care discută despre modul în care toate acele filare afectează creierul patinatorilor.
Segmentul de oaspeți
Deborah King este profesor la Departamentul de Științe ale Exercițiului și Sportului de la Colegiul Ithaca.
David Wang, MD, este directorul clinic al medicinei sportive de elită la Connecticut Children's Medical Center din Farmington, Connecticut.
Segment de transcriere
IRA FLATOW: Aceasta este Science Friday, eu sunt Ira Flatow. Puțin mai târziu în oră, produsele obișnuite de uz casnic cauzează poluarea aerului în aer liber, dar mai întâi este imposibil să urmăriți spectacolele de la Jocurile Olimpice de iarnă. Spate în spate 1440, el este pe halfpipe de snowboarding. Lutz-ul cvadruplu, și relaxarea și cămila se învârt pe gheața de patinaj, fără să se întrebe, cum naiba au făcut asta?
Bineînțeles, fiind un spectacol științific, primul nostru instinct a fost să chemăm un expert în biomecanică pentru a vorbi despre legile olimpice ale mișcării. Deborah King este acel expert. Este profesor la Departamentul de Științe ale Exercițiului și Sportului de la Ithaca College din New York. Bine ați venit la Science Friday.
DEBORAH KING: Mulțumesc.
IRA FLATOW: Permiteți-mi să le spun ascultătorilor că au văzut o cascadorie pe care doresc să o decodificați. Sunați-ne, 8-4-4- 7- 2-4- 8-2- 5-5. 8- 4- 4– vorbiți în paralel sau trimiteți-ne pe Twitter @scifri. Dr. Rege, ai urmărit mult patinajul sau îți place ce eveniment îți place cel mai mult?
DEBORAH KING: Oh, este un apel greu. Îmi plac toate. Mă uit la foarte mult schi alpin, am urmărit patinajul artistic. Îmi place scheletul cu bob și luge, săriturile cu schiurile, snowboardul aerian, așa-i așa. Zăpadă, gheață, gravitație, totul este distractiv.
IRA FLATOW: Locuiți acolo sus, unde este cam zăpadă în Ithaca. Nu-mi pot imagina de ce faci asta. În regulă, să mergem la saltul cu skate-ul. Skate jumps, OK, din perspectiva fizicii, ce se întâmplă în acele salturi fanteziste de skate?
DEBORAH KING: Sigur, se întâmplă multe într-o perioadă foarte scurtă de timp. Săriturile durează mai puțin de o secundă, iar patinatorii trebuie să iasă de pe gheață, să sară în aer, să sară în jur de două picioare în aer dacă îi urmărești pe băieți cum își fac quad-ul.
Se învârt, pot atinge cu ușurință viteze de rotație peste șase rotații pe secundă și apoi trebuie să aterizeze fără să cadă. Deci, există o mulțime de fizică în mișcarea proiectilului și conservarea impulsului unghiular care guvernează ceea ce pot face în aer.
IRA FLATOW: Deci este un compromis, pentru că dacă vrei să te învârți și vrei să sari sus, aspiri o parte din energia din fiecare mișcare. Trebuie să decideți cât de mult, corect?
DEBORAH KING: Absolut, așa că intră în decolare și trebuie să împingă gheața și, dacă își depun toate eforturile să sară foarte sus, nu vor obține acel impuls unghiular sau resursa de rotație să se rotească rapid in aer.
Sau, dacă într-adevăr se învârt în jurul valorii și se îndreaptă spre rotire foarte repede, s-ar putea să nu împingă suficient de tare și să meargă sus. Și va fi un act de echilibru, pentru că atunci când vine vorba de el, trebuie să-și termine cele patru rotații chiar atunci când piciorul intră în contact cu solul, astfel încât să poată aluneca și să patineze în următoarea abilitate.
IRA FLATOW: De ce vedem o diferență în numărul de rotiri pe care patinatorii bărbați și femei le pot scoate.
DEBORAH KING: Sigur, o mare parte din asta va avea legătură cu mărimea corpului. Deci, femeile tind să fie mai mici. În general, nu vor sări la fel de sus în medie. Pot fi niște femei care sar mai sus, dar în medie, dacă nu sar la fel de sus, nu sunt în aer atât de mult.
Deci, ar trebui să se învârtă mult mai repede decât ar obține băieții în jur de patru revoluții. Și, deși sunt mai mici, le este puțin mai ușor să se învârtă repede, dar acel spin se inițiază atunci când sunt pe gheață. Deci, când se desprind de gheață, dacă nu au un impuls unghiular mai mare de pe gheață, dimensiunea corpului lor nu îi va face să se învârtă suficient de repede pentru a compune cele patru revoluții. Deci, în general, se va reduce cu adevărat la nivelurile lor de dimensiune.