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.

fizica

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.

IRA FLATOW: Și vorbești despre impuls unghiular. Asta este atât de important aici, spune-mi, ce este asta?

DEBORAH KING: Aceasta este o întrebare excelentă. Deci impulsul unghiular este potențialul dvs. de a se roti. Este ca o resursă de rotație. Deci, este ceva pe care trebuie să-l împingi împotriva a ceva pentru a obține un anumit impuls pentru a se roti. Și, odată ce sunt în aer, nu mai pot împinge gheața. Sunt blocați cu cantitatea de impuls unghiular pe care o au.

Deci, ei au doar o anumită cantitate de potențial de rotire. Dar ceea ce este foarte interesant este că, deși au o cantitate de impuls stabilită, se pot roti mai repede dacă doresc. Și fac asta schimbându-și dimensiunea corpului.

IRA FLATOW: Așa că își trag brațele atunci când vor să meargă mai repede?

DEBORAH KING: Exact. Același lucru pe care îi vezi făcând pe gheață, de unde încep cu brațele într-un fel larg, primesc o împingere de pe gheață, brațele sunt foarte largi din corp și le trag și intră foarte repede - fac asta și în aer.

Când se desprind de gheață, brațul este puțin mai mult din corp, la fel și piciorul din care nu sar și apoi se fixează în poziția de rotație chiar atunci când intră în aer și viteza de rotație sus foarte repede. Și țin asta până la aterizare.

IRA FLATOW: Deci, știind puținul pe care îl știm despre fizică, comparați snowboardingul cu patinajul pe gheață. Există asemănări în fizică acolo?

DEBORAH KING: Absolut, există multă similitudine. Își obțin viteza verticală pentru a urca în aer diferit, nu trebuie să se împingă de pe suprafața plană. Dar trebuie să mărească viteza, dacă vorbim despre jumătatea țevii, coborârea unei părți sau jumătatea țevii, trecerea peste partea inferioară a jumătății țevii și urcarea celeilalte - de acolo își iau viteza.

Și viteza cu care se desprind de pe buza sau de pe marginea jumătății de țeavă va determina cât de sus merg. Cu cât merg mai sus, cu atât sunt mai lungi în aer, cu atât pot face mai multe rotații. Și celălalt lucru pe care îi vezi făcând chiar înainte de a se desprinde de pe jantă sau din buză, vei vedea că și-au întors corpul superior în timp ce creează un cuplu împotriva gheții sau zăpezii și asta le oferă unghiular impuls.

Așadar, odată ce sunt ridicați în aer, îi vezi cum fac aceleași tipuri de lucruri. Își mișcă poziția corpului astfel încât să se poată roti și să-și facă 1440 sau 1080, indiferent de abilitatea pe care o fac.

IRA FLATOW: Oh, ei o pot face și noi nu putem, eu nu putem.

DEBORAH KING: Exact.

IRA FLATOW: De aceea stau ici și colo acolo. Aș vrea să aduc un alt invitat acum pentru a vorbi despre unele dintre forțele de pe corpurile patinatorului și despre modul în care sângele este forțat prin corpuri în timp ce fac unele dintre aceste spectacole. David Wang, director clinic al Elite Sports Medicine la Connecticut Children's Medical Center. Bine ați venit la Science Friday.

DAVID WANG: Bună, ce mai faci?

IRA FLATOW: Acum știu că ați studiat forțele implicate în rotirea patinatorului. O rotire supune creierul patinatorului la o mulțime de forțe g?

DAVID WANG: Ei bine, cu siguranță. Întregul corp este supus forțelor. Și depinde de poziția care a fost, dar da, există anumite rotiri, cum ar fi un spin de relaxare, în care o cantitate semnificativă de forță este simțită de cap. Și, așa cum ați menționat anterior, avem forțele și avem sânge care se mișcă prin vase și este centrifugat pentru a crea o multitudine de simptome.

IRA FLATOW: Mhm. Este periculos să mutăm tot acel sânge și toate forțele din jurul capului?

DAVID WANG: Ei bine, de obicei nu. Cred că orice lucru făcut într-o extremă, desigur, poate provoca unele probleme. Dacă trebuie să te uiți la patinatorii artistici atunci când termină o rotire, cum ar fi o rotire relaxată, vei vedea adesea câteva petechii - mici vase de sânge mici rupte pe frunte.

Unii oameni chiar sângerează din nas. Și am văzut că ochii primesc un pic de tip hemoragie sub-contact, cu puțin sânge în partea albă a ochilor, totul de la faptul că sângele este forțat să iasă la cap. Și corpurile noastre nu sunt bine adaptate pentru a trata ceea ce numim forțe g negative.

Forța G obișnuită pe care o simțim este cea în care gravitația ne trage în jos pe care am obișnuit-o și la care ne-am adaptat. Dar în rotație, veți obține o forță negativă g în care mergeți de fapt în cealaltă direcție. Deci corpurile noastre nu sunt la fel de bine adaptate la asta, așa că nu le tolerează la fel de bine.

IRA FLATOW: Mhm. Și iată un tweet de la Luis care spune, vă rog să răspundeți la o întrebare care are această casă plină de fizicieni. De ce bărbații de snowboarder de sex masculin au primit atât de mult aer decât femeile, chiar și atunci când oamenii au aproximativ aceeași dimensiune? Deborah sau David?

DEBORAH KING: Pot să iau asta și David poți să faci pipă dacă vrei. Cred că vorbim aici mai ales despre elan. Și există o diferență în masa corporală a celor doi patinatori. Adică, nu toți, dar mulți dintre băieți au o masă corporală mai mare, așa că vor crește mai mult impuls, astfel încât să poată merge mai sus de pe margine.

Și o parte din aceasta va fi, de asemenea, linia pe care o iau în jumătatea țevii. Deci, cu cât veți merge mai direct pe partea laterală a jumătății conductei, veți putea crește mai multă viteză decât dacă mergeți puțin în diagonală pe ea.

IRA FLATOW: Să vorbim despre - înapoi la patinaj - ce fel de forțe acționează asupra patinatorilor atunci când aterizează pe gheață? Trebuie să fiu incredibil și este o suprafață dură, nu-i așa, Deborah?

DEBORAH KING: Oh, absolut. Deci, gheața este pusă pe beton. Poartă o lamă de oțel pe o cizmă din piele tare. Cele mai bune măsuri pe care le avem asupra forțelor atunci când aterizează sunt ușor de cinci ori mai mari decât greutatea corporală, ar putea fi puțin mai mare. Și dacă faci doar câteva calcule simple - dacă iei un patinator de 130 de kilograme, asta înseamnă 650 de kilograme de forță pe care le aterizează pe un picior sărit după săritură după săritură.

IRA FLATOW: Și fac asta și în practică. Adică sunt ...

DEBORAH KING: Oh, absolut. S-ar putea să facă 60, 100 de salturi pe zi în practică.

IRA FLATOW: Deci, părțile corpului tău vor fi - genunchii sau gleznele tale, ceea ce este greu?

DEBORAH KING: Orice probabil de la șolduri în jos, dar vedeți o mulțime de probleme la picior și la genunchi. Așadar, piciorul și genunchii sunt probabil părțile corpului dvs. numărul unu.

DAVID WANG: Când l-am măsurat, a fost impresionant ca și cantitatea care intră de fapt în șolduri. Deoarece cizma este relativ rigidă, astfel încât să nu obțineți atât de mult mișcarea gleznei pe cât doriți, așa că trebuie să transmiteți acea forță în sus - și astfel genunchii cu siguranță și șoldurile obțin mult. Și, de fapt, dacă te uiți la un fel de patinatori pensionari, vei vedea că marea majoritate au fost operați la șold.

IRA FLATOW: Și nu numai asta, dar mă întreb două lucruri. Unul, de ce nu se amețesc așa? Vreau să spun, David, se învârt, dar încă nu sunt?

DAVID WANG: Se amețesc.

IRA FLATOW: O fac, dar o pot controla?

DAVID WANG: Da, au o modalitate - se adaptează oarecum la ea, dar și ei - și din nou, Deborah poate suna în orice moment. Dar există secvențele care urmează secvența de rotire în care este încorporat un timp de recuperare. Deci, poate, secvența de lucru a picioarelor sau ceva înainte de a reveni în sărituri și în celelalte părți ale celorlalte elemente ale programului.

IRA FLATOW: Un tweet de la Howl spune, folosirea mănușilor ponderate ar ajuta patinatorii să-și crească impulsul unghiular? Presupun că ceea ce spui este când îți aduci mâinile înapoi. Pui mai mult pe ei Debra, ce crezi?

DEBORAH KING: Aceasta este o întrebare excelentă. Și asta a fost studiat puțin. Deci, răspunsul este, da, puteți genera mai mult impuls unghiular și, atunci când vă fixați într-o poziție de rotație, puteți ridica o viteză foarte mare. Patinatorii care au încercat-o, se simt foarte diferit - au fost făcute studii de cercetare în acest sens - se simte foarte diferit.

Deci, schimbă cu adevărat momentul săriturilor, deci nu este atât de ușor că, dintr-o dată, poți pune mănuși ponderate și, dintr-o dată, vei face un salt de cinci ori în loc de un salt cvadruplu pentru că ești rotindu-se mai repede. Aruncă într-adevăr timpul săriturii. Și patinatorii se adaptează, în general, doar prin faptul că au un impuls unghiular mai mare, așa că nu devin la fel de strânși și păstrează cam aceeași viteză de rotație.

IRA FLATOW: Deci oricum nu trișează.

DAVID WANG: Da, și ar fi dificil. Unul dintre lucrurile care nu sunt apreciate la acești patinatori este că, în esență, fiecare program este ca alergarea unei mile. Și rezistența necesară este extraordinară, că acești oameni sunt într-o formă incredibil de bună. Așadar, începeți să le adăugați greutăți atunci când realizează programul respectiv și cred că vor plăti pentru el.

IRA FLATOW: Este legal?

DEBORAH KING: Nu știu de fapt regulile în acest sens. Nu am văzut o regulă împotriva ei, dar nu știu. Dave, ai vreo idee?

DAVID WANG: Nu sunt conștient de o regulă împotriva acesteia, dar cred doar că ar modifica performanța într-o asemenea măsură încât să îmbunătățească performanța. Dacă ați face doar un lucru, se învârtea, presupun. Dar când adăugați toate celelalte elemente, cum ar fi coborârea de la sol și ridicarea celor două picioare în aer pentru a finaliza acele revoluții și patinarea prin ceea ce este în esență câteva minute de lucru extrem de aerob, cred că pur și simplu nu ar fi fii eficient.

IRA FLATOW: În regulă, vom face o pauză. Și cam asta avem tot timpul. Vreau să-i mulțumesc Deborei King, profesor la Departamentul de Științe ale Exercițiului și Sportului de la Colegiul Ithaca din New York. David Wang, director clinic Elite Sports Medicine la Connecticut Children's Medical Center din Farmington Connecticut.