החודש בפיונגצ'אנג, צוותי העילית של מומחי פיזיקה ומדעי חומרים מכל העולם יסנוור אותנו בתצוגות ראוותניות וכוחניות. בדרך כלל אנו מתייחסים למומחים אלה כאל ספורטאים. מתעמלות מדגימות את הבנתן העדינה של כוח המשיכה והמומנטום. שחיינים וצוללנים שולטים בדינמיקת הנוזלים ומתח השטח. גולשים גולשים את ידיעותיהם בתחום החיכוך וההידרולוגיה, ומטפלים דוחפים את צלעות האווירודינמיקה שלהם עד גבול. ככל הנראה אולימפיאנים מבינים את המדע ברמה חזותית בדרכים שרובנו לא עושים זאת.
תוכן קשור
- היסטוריה קצרה של החלקה על דמות נשים
- החלקות על הקרח הראשונות לא נועדו לקפיצות וסיבובים - הם נועדו להתמצא
אחד המקומות הטובים ביותר לחקור מגוון זה של כוחות פיזיים הוא החלקה על דמות. כל פיתול, סיבוב וקפיצה של מחליק מתחיל באיזון. והאיזון מסתמך על היכולת לשמור על מרכז המסה שלך - שהוא, כפי שהשם מרמז, מרכז המיקום של מסה של אובייקט - ישירות מעל נקודת מגע עם הקרח. עבור אובייקט סימטרי מאוד כמו מעגל או כדור, זה במרכז המת. מבחינת צורתו הגושמית והגושנית של גוף האדם, מרכז המסה משתנה מאדם לאדם אך נוטה להיות מעט מתחת לטבור. באמצעות מחליקים, ספינים, המראות ונחיתות, מחליק דמות צריך לשמור על מרכז המסה שלהם מיושר עם כף רגל על הקרח - או להסתכן בטלטלה.
זה לא רק מרכז ההמונים שחשוב בהחלקה על איור. גם "רגע האינרציה", מדד לחלוקה של אותה מסה יחסית למרכז הכובד, משנה את ההבדל. כאשר מחליק מבצע סיבוב מסנוור, הם שולטים במהירות הסיבוב שלהם על ידי משיכת זרועותיהם כדי לצמצם את רגע האינרציה ולהאיץ את הסיבוב או להפיץ אותם כדי להוריד את רגע האינרציה וסיבוב איטי.
אנשים שמעדיפים להתנסות בפיזיקה על משטח פחות חלקלק יכולים להסתובב בכיסא משרדי עם זרועות מורחבות: משוך בזרועות, ומהירות הסיבוב עולה. עלייה זו נובעת מעיקרון הנקרא שימור המומנטום הזוויתי. רגע אינרציה גבוה יותר מתאים למהירות סיבוב נמוכה יותר, ורגע אינרציה נמוך יותר מתאים למהירות סיבוב גבוהה יותר.
המחליקה היפנית מיקי אנדו, שהוצגה כאן באולימפיאדת החורף 2010 בוונקובר, קנדה, היא האישה היחידה שביצעה בהצלחה סלצ'וב. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) אבל כמו ספינים נחמדים, קפיצות עשויות להיות הדוגמאות היפות ביותר לספרי לימוד לפיזיקה בהחלקה על הקרח. מחלשי הדמות ממריאים ומשייטים בעיקול פרבולי חינני, מסתובבים תוך כדי. החילוף בין אנרגיה המשמשת לשייט וספינינג הוא זה שהופך קפיצות לחלק כה קשה - ומרשים - משגרה של כל מחליק.
"זה מסתכם בשלושה מרכיבים: עם כמה תנופה זוויתית אתה משאיר את הקרח, כמה קטן אתה יכול לעשות את רגע האינרציה שלך באוויר וכמה זמן אתה יכול לבלות באוויר, " אומר ג'יימס ריצ'רדס, פרופסור ל קינסיולוגיה ופיזיולוגיה יישומית באוניברסיטת דלאוור שעבדה עם מחליקים של דמויות אולימפיות ומאמניהם על שיפור טכניקות הקפיצה שלהם. בקבוצתו גילו כי לרוב המחליקים יש את המומנטום הזוויתי ההכרחי שעזב את הקרח, אך לעיתים התקשו להשיג מספיק מהירות סיבוב כדי להשלים את הקפיצה.
אפילו שינויים זעירים בתנוחת הזרוע לאורך הסיבוב עלולים להוביל לקפיצה שהושלמה בהצלחה. "מה שמזעזע הוא כמה מעט צריך לעשות את ההבדל העצום, " הוא אומר. "אתה מזיז את הידיים שלוש או ארבע מעלות וזה מגדיל את קצב הסיבוב לא מעט."
תחילה התקשו במעבדה לתרגם ממצאים אלה לעצות למחליקים. "התחום שלי נפלא ביצירת תרשימים ומגרשים וגרפים וטבלאות, " הוא אומר. אבל אלה לא היו אמצעי התקשורת שהמחליקים והמאמנים ספגו בצורה הטובה ביותר. "לקחנו את כל המתמטיקה הזו והרתיחנו את זה למבנה פשוט מאוד." באופן ספציפי, הם צילמו קטעי וידאו במהירות גבוהה של המחליקים והעבירו את הנתונים האלה לגלגול המחליק. ואז הם היו נכנסים ומגבירים את תנוחת הגוף בנקודת הקפיצה, שם היה לחליק להחליף מקום.
אז המחליק יכול היה לראות את ההשוואה בין מה שהם עשו לבין איך שתיראה הקפיצה עם כמה שינויים קטנים. "כל דבר שנשנה ניתן לעשות, " הוא אומר. "אנו חוזרים ומסתכלים על הכוחות הנדרשים למחליקים לעשות זאת ולוודא שכולם נמצאים בגבול הכוח של המחליק, ומתברר שזה חלק קטן מכוחם המרבי." להקדיש זמן רב על הקרח להתרגל לשינויים, אך כלי הדמיה עוזרים להם לדעת על מה עליהם לעבוד.
כדי לשפר את טכניקות הקפיצה של המחליקים האולימפיים, הקבוצה של ריצ'רדס הפכה את הסרט המחליק במהירות גבוהה לאווטרים המסתובבים האלה. (באדיבות ג'ים ריצ'רדס) באופן מפתיע, הקבוצה של ריצ'רדס גילתה שהסיבוב במהירות מספקת היה יותר מנטאלי מאשר אתגר פיזי עבור המחליקים. "נראה שיש מגבלת מהירות שחוטית פנימית, " הוא אומר, אם כי המהירות המרבית הזו משתנה מאדם לאדם. זה יכול לקחת שבועות או חודשים עד שספורטאי יאמן את עצמו להסתובב מהר יותר מאזור הנוחות הטבעי שלו.
דבורה קינג, פרופסור למדעי הספורט ומדעי הספורט במכללת איתקה, בדקה כיצד המחליקים עוברים מכפילים לשלישיות - ומשולשים לארבעים. "איך המחליק צריך לאזן או לייעל את זמן הבילוי באוויר?" היא שואלת.
מחליקים שיכולים להשלים באופן מהימן קפיצות משולשות או פי ארבעה, היא אומרת, נוטים לבלות את אותה כמות זמן באוויר ללא קשר לסוג הקפיצה שהם מבצעים. המומנטום הזוויתי שלהם בתחילת הקפיצה עשוי להיות מעט גבוה יותר עבור משולשים או פי ארבעה מאשר לזוגות, אך עיקר ההבדל הוא כיצד הם שולטים ברגע האינרציה.
עם זאת, הבדלים זעירים בהיבטים אחרים של הקפיצה יכולים לעשות את ההבדל. אפילו עיקול קטן בירכיים ובברכיים יכול לאפשר להחליק לנחות עם מרכז מסה נמוך יותר ממה שהתחילו, אולי להוציא כמה דרגות סיבוב יקרות ומיקום גוף טוב יותר לנחיתה.
יש פיתרון בין מהירות אנכית לתנופה זוויתית. על מנת לקפוץ גבוה יותר, מחליקים עשויים לבנות כוח, מה שעלול לגרום להם לצבור מסת שריר. המסה הנוספת ההיא יכולה להגביר עוד יותר את רגע האינרציה שלהם, ולהאט אותם באוויר. "אתה יכול להפסיד יותר מהעלייה ברגע האינרציה ממה שאתה מרוויח מהגדלת הזמן באוויר, " אומר ריצ'רדס. במילים אחרות, השגת איזון על הקרח נוקטת באיזון משלה.
נכון לעכשיו, גברים ברמה האולימפית מסתכמים בקפיצות פי ארבע, בעוד שנשים בדרך כלל עוצרות בשלשות. (עד כה המחליקה היפנית מיקי אנדו היא האישה היחידה שהצליחה להשיג קפיצה מרובעת בתחרות.) זה מוביל את אלו שלומדים את הפיזיקה של החלקה על הקרח לתהות: האם quads הם גבול קשה? "לפי מערכת החוקים הנוכחית, כן, אני מאמין שכן, " אומר ריצ'רדס. מחליקים שהולכים לקפיצות פי ארבעה כבר מושכים את ידיהם קרוב מאוד לגוף, כך שאין הרבה מקום לשפר את רגע האינרציה ולהסתובב מהר יותר. וקפיצה הרבה יותר גבוהה תידרש ככל הנראה בניית מסת שריר רבה יותר, שתאט את הסיבוב.
קינג אופטימי יותר. "פוטנציאל יכול להיות אפשרי", היא אומרת. מבחינה היסטורית, היא מוסיפה, בדרך כלל לוקח כמה עשורים להוסיף סיבוב נוסף לקפיצה על דמות מסוימת, כך שאסור לצפות להם לפחות בשנות העשרים של המאה העשרים. כדי להגיע מרביעי המשנה לחמישייה, המחליקים היו צריכים לקפוץ קצת יותר גבוה, לקבל תנופה קצת יותר זוויתית ולהקטין את רגע האינרציה. "זה עניין של לבדוק כמה הם יכולים לשנות את המספרים האלה באופן ריאלי, " היא אומרת.
הגדלת מהירות הסיבוב באוויר תהיה חלק הכרחי בקפיצות הנחיתה. בניסוי, המעבדה של ריצ'רדס הראה איך זה יכול להיות אפשרי. החוקרים העניקו למחליקים משקולות יד קטנות; כשהמחליקים הכניסו את זרועותיהם המשקל המוגבר פירושו היה שינוי גדול יותר ברגע האינרציה, מה שהעניק את המהירות הסיבובית שלהם לעידוד. (בכיסא משרדי, אם תתחיל עם ספרים או משקולות אחרות בידך, תאיץ עוד יותר כשאתה מושך את הידיים פנימה.)
אכן, המחליקים הסתובבו מהר יותר עם המשקולות בידיהם, אם כי החוקרים גילו שהם פיצו גם על השינוי במהירות. לאחר הקפיצה הראשונה, הם משכו פחות את זרועותיהם כדי לשמור על אותה מהירות סיבוב שהייתה להם ללא המשקולות. ובכל זאת, אם מחליק רצה לצאת לקפיצה בחמישייה, משקולות יד יכולות לעזור להם להשיג את המהירות הסיבוב הנחוצה כדי להשלים את כל אותם פניות.
עם זאת, עבור המחליקים האולימפיים יש רק בעיה אחת זעירה. "אני מאמין שזה גם בוגד", אומר ריצ'רדס.
