Deze maand in Pyeongchang zullen eliteteams van natuur- en materiaalwetenschapsexperts van over de hele wereld ons verbazen met opzichtige uitingen van gratie en kracht. We noemen deze experts vaak sporters. Turners tonen hun subtiele begrip van zwaartekracht en momentum. Zwemmers en duikers beheersen vloeistofdynamica en oppervlaktespanning. Skiërs maken gebruik van hun kennis van wrijving en hydrologie, en sjouwers duwen hun aerodynamische karweitjes tot het uiterste. Olympiërs begrijpen de wetenschap immers op een visceraal niveau op een manier die de meesten van ons niet begrijpen.
gerelateerde inhoud
- Een korte geschiedenis van kunstschaatsen voor vrouwen
- De eerste schaatsen waren niet voor sprongen en kronkels - ze waren er om je te verplaatsen
Een van de beste plaatsen om deze verscheidenheid aan fysieke krachten te verkennen is kunstschaatsen. Een schaatser begint elke draai, draai en sprong met balans. En evenwicht is afhankelijk van het kunnen houden van je massamiddelpunt - dat, zoals de naam al aangeeft, het centrum is van waar de massa van een object zich bevindt - direct boven een contactpunt met het ijs. Voor een zeer symmetrisch object zoals een cirkel of bol, die zich in het dode centrum bevindt. Voor de bobbelige, bobbeligere vorm van het menselijk lichaam varieert het centrum van massa van persoon tot persoon, maar ligt het meestal een beetje onder de navel. Door glijders, spins, starts en landingen moet een kunstschaatsers hun massamiddelpunt op één lijn houden met een voet op het ijs - of het risico lopen een tuimeling te maken.
Het is niet alleen het centrum van massa dat van belang is bij kunstschaatsen. Het 'traagheidsmoment', een maat voor hoe die massa wordt verdeeld ten opzichte van het zwaartepunt, maakt ook een verschil. Wanneer een skater een oogverblindende draai uitvoert, regelen ze hun rotatiesnelheid door hun armen naar binnen te trekken om het traagheidsmoment te verminderen en de rotatie te versnellen of spreiden om het traagheidsmoment en de langzame rotatie te verminderen.
Mensen die liever natuurkunde op een minder glad oppervlak ervaren, kunnen ronddraaien in een bureaustoel met uitgestrekte armen: trek de armen in en de centrifugeersnelheid neemt toe. Deze toename is te wijten aan een principe dat het behoud van hoekmomentum wordt genoemd. Een hoger traagheidsmoment komt overeen met een lager toerental en een lager traagheidsmoment komt overeen met een hoger toerental.
De Japanse kunstschaatser Miki Ando, hier getoond op de Olympische Winterspelen 2010 in Vancouver, Canada, is de enige vrouw die met succes een viervoudige Salchow heeft uitgevoerd. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Maar hoe leuk spins ook zijn, sprongen zijn misschien wel de mooiste leerboekvoorbeelden van natuurkunde bij schaatsen. Kunstschaatsers stijgen op en varen door een sierlijke parabolische bocht, draaiend als ze gaan. Die wisselwerking tussen energie die wordt gebruikt voor zeilen en spinnen maakt sprongen zo'n moeilijk - en indrukwekkend - onderdeel van de routine van elke skater.
"Het bestaat uit drie componenten: met hoeveel hoekmoment laat je het ijs achter, hoe klein kun je je traagheidsmoment in de lucht maken en hoeveel tijd je in de lucht kunt doorbrengen", zegt James Richards, een professor van kinesiologie en toegepaste fysiologie aan de Universiteit van Delaware die met Olympische kunstschaatsers en hun coaches heeft gewerkt aan het verbeteren van hun springtechnieken. Zijn groep ontdekte dat de meeste schaatsers de nodige hoekstoot hadden om het ijs te verlaten, maar soms moeite hadden om voldoende rotatiesnelheid te krijgen om de sprong te voltooien.
Zelfs kleine veranderingen in de armpositie halverwege de rotatie kunnen leiden tot een met succes voltooide sprong. "Wat schokkend is, is hoe weinig er nodig is om een enorm verschil te maken, " zegt hij. "Je beweegt je armen drie of vier graden, en het verhoogt de spin-snelheid behoorlijk."
In het begin had het lab moeite om deze bevindingen te vertalen in advies voor skaters. "Mijn vakgebied is geweldig in het maken van grafieken en diagrammen en grafieken en tabellen", zegt hij. Maar dat waren niet de media die skaters en coaches het beste absorbeerden. "We hebben al die wiskunde genomen en hebben het tot een heel eenvoudig concept gemaakt." In het bijzonder namen ze high-speed video's van de schaatsers en brachten die gegevens over naar een avatar van de schaatser. Daarna zouden ze naar binnen gaan en de lichaamspositie aanpassen op het punt van de sprong waar de schaatser wat ruimte had om te verbeteren.
De schaatser kon vervolgens de vergelijking zien tussen wat ze deden en hoe de sprong eruit zou zien met enkele kleine aanpassingen. "Alles wat we veranderen kan worden gedaan, " zegt hij. "We gaan terug en kijken naar de krachten die nodig zijn voor de schaatsers om dit te doen en ervoor te zorgen dat ze allemaal ruim binnen de krachtlimiet van de schaatser zijn, en het blijkt een kleine fractie van hun maximale sterkte te zijn." om veel tijd op het ijs door te brengen om aan de veranderingen te wennen, maar de visualisatiehulpmiddelen helpen hen weten waaraan ze moeten werken.
Om de springtechnieken van olympische skaters te verbeteren, veranderde de groep van Richards high-speed film van skaters in deze ronddraaiende avatars. (Met dank aan Jim Richards) Verrassend vond de groep van Richards dat snel genoeg roteren meer een mentale dan een fysieke uitdaging was voor skaters. "Er lijkt een snelheidslimiet te zijn die intern is bedraad", zegt hij, hoewel deze maximumsnelheid van persoon tot persoon varieert. Het kan weken of maanden duren voordat een atleet zichzelf traint om sneller te draaien dan zijn natuurlijke comfortzone.
Deborah King, een professor in de bewegings- en sportwetenschappen aan het Ithaca College, heeft gekeken hoe schaatsers zich verplaatsen van dubbel naar drievoud en van drievoud naar viervoud. "Hoe moet de schaatser balanceren of de tijd die hij in de lucht doorbrengt optimaliseren?", Vraagt ze.
Skaters die betrouwbaar drie- of viervoudige sprongen kunnen voltooien, zegt ze, hebben de neiging om dezelfde hoeveelheid tijd in de lucht door te brengen, ongeacht wat voor soort sprong ze maken. Hun hoekmomentum bij het begin van de sprong kan iets hoger zijn voor drievoudige of viervoudige dan voor dubbele, maar het grootste deel van het verschil is hoe ze het traagheidsmoment regelen.
Dat gezegd hebbende, kleine verschillen in andere aspecten van de sprong kunnen een verschil maken. Zelfs een kleine buiging in de heupen en knieën kan de schaatser toelaten om met een lager massacentrum te landen dan ze aanvankelijk begonnen, misschien op zoek naar een paar kostbare graden van rotatie en een betere lichaamshouding voor landen.
Er is een wisselwerking tussen verticale snelheid en hoekmomentum. Om hoger te springen, kunnen skaters kracht opbouwen, waardoor ze spiermassa kunnen opbouwen. Die extra massa kan hun traagheidsmoment verder vergroten, waardoor ze in de lucht worden vertraagd. "Je kunt meer verliezen van de toename van het traagheidsmoment dan je wint van de toegenomen tijd in de lucht, " zegt Richards. Met andere woorden, evenwicht op het ijs bereiken vereist zijn eigen evenwicht.
Momenteel spelen mannen op olympisch niveau maximaal viervoudige sprongen, terwijl vrouwen meestal stoppen bij drievoud. (Tot nu toe is de Japanse skater Miki Ando de enige vrouw die met succes een viervoudige sprong in de competitie heeft voltooid.) Dit leidt ertoe dat degenen die de fysica van schaatsen bestuderen zich afvragen: zijn quads een harde limiet? "Onder de huidige regels, ja, ik geloof van wel", zegt Richards. Skaters die voor viervoudige sprongen gaan, trekken hun armen al heel dicht bij het lichaam, dus er is niet veel ruimte om het traagheidsmoment te verbeteren en sneller te roteren. En veel hoger springen zou waarschijnlijk meer spiermassa moeten opbouwen, wat rotaties zou vertragen.
King is optimistischer. "Een kwint zou mogelijk mogelijk zijn", zegt ze. Historisch, voegt ze eraan toe, duurt het over het algemeen een paar decennia om een extra rotatie toe te voegen aan een bepaalde kunstschaatsensprong, dus we zouden ze niet moeten verwachten tot ten minste de 2030's. Om van viervoud naar vijfvoud te komen, zouden skaters een beetje hoger moeten springen, een beetje meer hoekmoment krijgen en het traagheidsmoment verminderen. "Het is een kwestie van kijken hoeveel ze die cijfers mogelijk realistisch kunnen veranderen, " zegt ze.
Het verhogen van de rotatiesnelheid in de lucht zou een noodzakelijk onderdeel zijn van het landen van vijfvoudige sprongen. In een experiment liet het laboratorium van Richards zien hoe dat mogelijk zou kunnen zijn. Onderzoekers gaven skaters kleine handgewichten; toen de schaatsers hun armen naar binnen brachten, betekende het toegenomen gewicht dat er een grotere verandering was in het traagheidsmoment, wat hun rotatiesnelheid een boost gaf. (In een bureaustoel, als je begint met boeken of andere gewichten in je handen, zul je nog meer versnellen wanneer je je armen naar binnen trekt.)
Inderdaad, de schaatsers roteerden sneller met de gewichten in hun handen, hoewel de onderzoekers ontdekten dat ze de verandering ook snel compenseerden. Na de eerste sprong trokken ze hun armen in minder om dezelfde rotatiesnelheid te behouden die ze hadden zonder de gewichten. Toch, als een schaatser een vijfvoudige sprong wilde gaan, konden handgewichten hen helpen de rotatiesnelheid te krijgen die nodig is om al die beurten te voltooien.
Voor Olympische skaters is er echter maar een klein probleempje. "Ik geloof dat het ook vals spelen is", zegt Richards.
