In diesem Monat werden uns in Pyeongchang Elite-Teams von Physik- und Materialwissenschaftsexperten aus der ganzen Welt mit demonstrativen Demonstrationen von Anmut und Kraft überraschen. Wir bezeichnen diese Experten üblicherweise als Athleten. Turner demonstrieren ihr subtiles Verständnis von Schwerkraft und Schwung. Schwimmer und Taucher beherrschen Flüssigkeitsdynamik und Oberflächenspannung. Skifahrer nutzen ihr Wissen über Reibung und Hydrologie und Rodler bringen ihre Aerodynamik an ihre Grenzen. Olympioniken verstehen Wissenschaft auf einer viszeralen Ebene, wie es die meisten von uns nicht tun.
Verwandte Inhalte
- Eine kurze Geschichte des Eiskunstlaufs für Frauen
- Die ersten Schlittschuhe waren nichts für Sprünge und Wirbel - sie waren es, um herumzukommen
Einer der besten Orte, um diese Vielfalt an physischen Kräften zu erkunden, ist Eiskunstlauf. Jeder Dreh, Wendung und Sprung eines Skaters beginnt mit dem Gleichgewicht. Und Balance setzt voraus, dass Sie Ihren Massenmittelpunkt - der, wie der Name schon sagt, der Mittelpunkt der Masse eines Objekts ist - direkt über einem Kontaktpunkt mit dem Eis halten können. Für ein hochsymmetrisches Objekt wie einen Kreis oder eine Kugel liegt das im Totpunkt. Für die klumpigere, holprigere Form des menschlichen Körpers variiert der Schwerpunkt von Person zu Person, liegt jedoch tendenziell etwas unterhalb des Nabels. Durch Gleiten, Schleudern, Abheben und Landen muss ein Eiskunstläufer seinen Schwerpunkt auf einem Fuß auf dem Eis halten - oder er riskiert einen Sturz.
Beim Eiskunstlauf zählt nicht nur der Schwerpunkt. Das "Trägheitsmoment", ein Maß für die Verteilung dieser Masse relativ zum Schwerpunkt, macht ebenfalls einen Unterschied. Wenn ein Skater einen blendenden Spin ausführt, steuert er seine Rotationsgeschwindigkeit, indem er seine Arme hineinzieht, um das Trägheitsmoment zu verringern und die Rotation zu beschleunigen, oder indem er sie ausbreitet, um das Trägheitsmoment und die langsame Rotation zu verringern.
Menschen, die Physik auf weniger rutschigem Untergrund bevorzugen, können sich in einem Bürostuhl mit ausgestreckten Armen drehen: Ziehen Sie an den Armen, und die Schleuderdrehzahl steigt. Dieser Anstieg beruht auf einem Prinzip, das als Erhaltung des Drehimpulses bezeichnet wird. Ein höheres Trägheitsmoment entspricht einer niedrigeren Drehzahl und ein niedrigeres Trägheitsmoment entspricht einer höheren Drehzahl.
Die japanische Eiskunstläuferin Miki Ando, die hier bei den Olympischen Winterspielen 2010 in Vancouver, Kanada, gezeigt wurde, ist die einzige Frau, die erfolgreich einen vierfachen Salchow absolviert hat. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Aber so schön Spins auch sind, Sprünge sind vielleicht die schönsten Beispiele für Physik im Eislaufen. Eiskunstläufer heben ab und segeln durch eine anmutige Parabelkurve, während sie sich drehen. Dieser Kompromiss zwischen Energie, die zum Segeln und Drehen verwendet wird, macht das Springen zu einem schwierigen und beeindruckenden Teil der Routine eines jeden Skaters.
"Es sind drei Komponenten: Mit wie viel Drehimpuls lässt du das Eis stehen, wie wenig kannst du dein Trägheitsmoment in der Luft erzeugen und wie viel Zeit kannst du in der Luft verbringen", sagt James Richards, Professor von Kinesiologie und angewandte Physiologie an der Universität von Delaware, die mit olympischen Eiskunstläufern und ihren Trainern an der Verbesserung ihrer Sprungtechniken gearbeitet hat. Seine Gruppe stellte fest, dass die meisten Skater den nötigen Drehimpuls hatten, um das Eis zu verlassen, aber manchmal Schwierigkeiten hatten, genügend Rotationsgeschwindigkeit zu erhalten, um den Sprung abzuschließen.
Selbst winzige Änderungen der Armposition während der Drehung können zu einem erfolgreich abgeschlossenen Sprung führen. "Was schockiert, ist, wie wenig es braucht, um einen großen Unterschied zu machen", sagt er. "Sie bewegen Ihre Arme drei oder vier Grad, und es erhöht die Spin-Rate ziemlich viel."
Zunächst hatte das Labor einige Schwierigkeiten, diese Erkenntnisse in Ratschläge für Skater umzusetzen. "Mein Fachgebiet ist wunderbar darin, Diagramme und Plots sowie Grafiken und Tabellen zu erstellen", sagt er. Aber das waren nicht die Medien, die Skater und Trainer am besten aufgenommen haben. „Wir haben die ganze Mathematik genommen und zu einem sehr einfachen Konstrukt zusammengefasst.“ Insbesondere haben sie Hochgeschwindigkeitsvideos der Skater aufgenommen und diese Daten an einen Avatar des Skaters übertragen. Dann gingen sie hinein und optimierten die Körperposition an der Stelle des Sprunges, an der der Skater etwas Raum hatte, um sich zu verbessern.
Der Skater konnte dann den Vergleich zwischen dem sehen, was er gemacht hat und wie der Sprung mit ein paar kleinen Modifikationen aussehen würde. "Alles, was wir ändern, kann getan werden", sagt er. "Wir gehen zurück und schauen uns die Kräfte an, die die Skater benötigen, um dies zu tun, und stellen sicher, dass sie alle innerhalb des Kraftlimits des Skaters sind. Es stellt sich heraus, dass dies nur ein kleiner Bruchteil ihrer maximalen Kraft ist." viel Zeit auf dem Eis zu verbringen, um sich an die Änderungen zu gewöhnen, aber die Visualisierungstools helfen ihnen zu wissen, woran sie arbeiten sollten.
Um die Sprungtechniken der olympischen Skater zu verbessern, verwandelte Richards 'Gruppe einen Hochgeschwindigkeitsfilm von Skatern in diese sich drehenden Avatare. (Mit freundlicher Genehmigung von Jim Richards) Überraschenderweise stellte Richards 'Gruppe fest, dass es für Skater eher eine mentale als eine physische Herausforderung war, sich schnell genug zu drehen. "Es scheint eine Geschwindigkeitsbegrenzung zu geben, die intern festgelegt ist", sagt er, obwohl diese Höchstgeschwindigkeit von Person zu Person unterschiedlich ist. Es kann Wochen oder Monate dauern, bis ein Athlet trainiert, schneller als in seiner natürlichen Komfortzone zu drehen.
Deborah King, Professorin für Sport und Bewegung am Ithaca College, hat untersucht, wie sich Skater vom Doppelten zum Dreifachen und vom Dreifachen zum Vierfachen bewegen. „Wie muss der Skater die in der Luft verbrachte Zeit ausgleichen oder optimieren?“, Fragt sie.
Skater, die Dreifach- oder Vierfachsprünge zuverlässig absolvieren können, tendieren dazu, dieselbe Zeit in der Luft zu verbringen, unabhängig davon, welche Art von Sprung sie ausführen. Ihr Drehimpuls zu Beginn des Sprunges mag bei Dreifach- oder Vierfachen geringfügig höher sein als bei Zweifachbewegungen. Der größte Unterschied besteht jedoch darin, wie sie das Trägheitsmoment steuern.
Allerdings können winzige Unterschiede in anderen Aspekten des Sprunges einen Unterschied machen. Sogar eine kleine Biegung in den Hüften und Knien kann es dem Skater ermöglichen, mit einem tieferen Schwerpunkt zu landen, als sie es zu Beginn hatten, und möglicherweise ein paar wertvolle Rotationsgrade und eine bessere Körperhaltung für die Landung erzielen.
Es gibt einen Kompromiss zwischen vertikaler Geschwindigkeit und Drehimpuls. Um höher zu springen, können Skater Kraft aufbauen und dadurch Muskelmasse aufbauen. Diese zusätzliche Masse könnte ihr Trägheitsmoment weiter erhöhen und sie in der Luft verlangsamen. "Man kann durch die Zunahme des Trägheitsmoments mehr verlieren als durch die Zunahme der Zeit in der Luft", sagt Richards. Mit anderen Worten, das Erreichen eines Gleichgewichts auf dem Eis erfordert ein eigenes Gleichgewicht.
Derzeit sind Männer auf olympischem Niveau maximal bei Vierfachsprüngen, während Frauen normalerweise bei Dreifachsprüngen anhalten. (Bisher ist die japanische Skaterin Miki Ando die einzige Frau, die einen Vierfachsprung im Wettkampf erfolgreich absolviert hat.) Dies lässt diejenigen, die sich mit der Physik des Eislaufens befassen, fragen: Sind Quads eine harte Grenze? "Nach den aktuellen Regeln ist dies meiner Meinung nach der Fall", sagt Richards. Skater, die Vierfachsprünge anstreben, ziehen ihre Arme bereits sehr nahe an den Körper heran, sodass nicht viel Platz vorhanden ist, um das Trägheitsmoment zu verbessern und schneller zu drehen. Und viel höher zu springen würde wahrscheinlich mehr Muskelmasse erfordern, was die Rotation verlangsamen würde.
König ist optimistischer. "Eine Quint wäre möglicherweise möglich", sagt sie. Historisch gesehen, fügt sie hinzu, dauert es in der Regel ein paar Jahrzehnte, bis ein bestimmter Eiskunstlaufsprung eine zusätzliche Rotation erhält. Wir sollten sie also erst in den 2030er Jahren erwarten. Um vom Vierfachen zum Fünffachen zu gelangen, müssten Skater etwas höher springen, etwas mehr Drehimpuls bekommen und das Trägheitsmoment verringern. "Es ist eine Frage der Frage, wie viel sie möglicherweise diese Zahlen realistisch ändern könnten", sagt sie.
Eine Erhöhung der Drehzahl in der Luft wäre ein notwendiger Bestandteil der Landung von Fünffachsprüngen. In einem Experiment hat Richards Labor gezeigt, wie das möglich sein könnte. Die Forscher gaben den Skatern kleine Handgewichte; Als die Skater ihre Arme hereinbrachten, bedeutete das erhöhte Gewicht eine größere Änderung des Trägheitsmoments, was ihrer Rotationsgeschwindigkeit einen Schub gab. (Wenn Sie in einem Bürostuhl mit Büchern oder anderen Gewichten in den Händen beginnen, beschleunigen Sie noch mehr, wenn Sie Ihre Arme hineinziehen.)
In der Tat drehten sich die Skater mit den Gewichten in ihren Händen schneller, obwohl die Forscher herausfanden, dass sie die Änderung auch schnell kompensierten. Nach dem ersten Sprung zogen sie ihre Arme weniger ein, um die gleiche Drehzahl zu erreichen, die sie ohne die Gewichte hatten. Wenn ein Skater einen fünffachen Sprung machen möchte, können ihm die Handgewichte dabei helfen, die Rotationsgeschwindigkeit zu erreichen, die für alle diese Kurven erforderlich ist.
Für olympische Skater gibt es jedoch nur ein kleines Problem. "Ich glaube, es ist auch Betrug", sagt Richards.
