Questo mese a Pyeongchang, team d'élite di esperti di fisica e scienze dei materiali di tutto il mondo ci stupiranno con esibizioni ostentate di grazia e potere. Normalmente ci riferiamo a questi esperti come atleti. Le ginnaste dimostrano la loro sottile comprensione della gravità e del momento. Nuotatori e subacquei padroneggiano la fluidodinamica e la tensione superficiale. Gli sciatori sfruttano la loro conoscenza dell'attrito e dell'idrologia e i luger spingono i loro tagli aerodinamici al limite. Dopotutto, gli olimpionici comprendono la scienza a livello viscerale in un modo che molti di noi non sanno.
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Uno dei posti migliori per esplorare questa varietà di forze fisiche è il pattinaggio di figura. Ogni giocatore, ogni curva e ogni salto iniziano con un equilibrio. E l'equilibrio si basa sulla capacità di mantenere il centro di massa - che, come suggerisce il nome, è il centro di dove si trova la massa di un oggetto - direttamente sopra un punto di contatto con il ghiaccio. Per un oggetto altamente simmetrico come un cerchio o una sfera, questo è nel punto morto. Per la forma più grumosa e irregolare del corpo umano, il centro di massa varia da persona a persona ma tende ad essere un po 'al di sotto dell'ombelico. Attraverso planate, rotazioni, decolli e atterraggi, un pattinatore deve mantenere il proprio centro di massa allineato con un piede sul ghiaccio, oppure rischiare di cadere in una caduta.
Non è solo il centro di massa che conta nel pattinaggio di figura. Anche il "momento d'inerzia", una misura di come viene distribuita quella massa rispetto al baricentro, fa la differenza. Quando un pattinatore esegue una rotazione smagliante, controlla la sua velocità di rotazione tirando le braccia verso l'interno per diminuire il momento di inerzia e accelerare la rotazione o allargandole per ridurre il momento di inerzia e la rotazione lenta.
Le persone che preferiscono sperimentare la fisica su una superficie meno scivolosa possono girare su una sedia da ufficio con le braccia estese: tirare le braccia e la velocità di centrifuga aumenta. Questo aumento è dovuto a un principio chiamato conservazione del momento angolare. Un momento di inerzia più elevato corrisponde a una velocità di rotazione inferiore e un momento di inerzia inferiore corrisponde a una velocità di rotazione superiore.
La pattinatrice giapponese Miki Ando, mostrata qui alle Olimpiadi invernali 2010 a Vancouver, in Canada, è l'unica donna ad aver eseguito con successo una quadrupla Salchow. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Ma per quanto siano belli i giri, i salti potrebbero essere i più bei esempi da manuale di fisica nel pattinaggio su ghiaccio. I pattinatori decollano e navigano attraverso una graziosa curva parabolica, ruotando mentre procedono. Quel compromesso tra l'energia utilizzata per la vela e lo spinning è ciò che rende i salti così difficili - e impressionanti - parte della routine di qualsiasi pattinatore.
"Ciò equivale a tre componenti: quanto momento angolare lasci il ghiaccio, quanto piccolo puoi rendere il tuo momento di inerzia nell'aria e quanto tempo puoi trascorrere in aria", afferma James Richards, professore di kinesiologia e fisiologia applicata presso l'Università del Delaware che ha lavorato con i pattinatori olimpici e i loro allenatori per migliorare le loro tecniche di salto. Il suo gruppo ha scoperto che la maggior parte dei pattinatori aveva il momento angolare necessario che lasciava il ghiaccio, ma a volte aveva difficoltà a ottenere una velocità di rotazione sufficiente per completare il salto.
Anche minuscole modifiche alla posizione del braccio durante la rotazione potrebbero portare a un salto completato con successo. "La cosa scioccante è quanto poco ci vuole per fare una grande differenza", afferma. "Muovi le braccia di tre o quattro gradi e aumenta abbastanza la velocità di rotazione."
Inizialmente, il laboratorio ha avuto qualche difficoltà a tradurre questi risultati in consigli per i pattinatori. "Il mio campo è meraviglioso nel creare diagrammi e diagrammi e grafici e tabelle", afferma. Ma quelli non erano i media che i pattinatori e gli allenatori assorbivano meglio. "Abbiamo preso tutta quella matematica e l'abbiamo ridotta in un costrutto molto semplice." In particolare, hanno preso video ad alta velocità dei pattinatori e trasferito quei dati su un avatar del pattinatore. Quindi sarebbero entrati e avrebbero modificato la posizione del corpo nel punto del salto in cui il pattinatore aveva un po 'di spazio per migliorare.
Il pattinatore potrebbe quindi vedere il confronto tra ciò che hanno fatto e l'aspetto del salto con alcune piccole modifiche. "Tutto ciò che cambiamo può essere fatto", dice. "Torniamo indietro e esaminiamo le forze necessarie per far sì che i pattinatori facciano questo e ci assicuriamo che siano tutti entro il limite di forza del pattinatore, e risulta essere una piccola frazione della loro massima forza." I pattinatori hanno ancora per passare molto tempo sul ghiaccio ad abituarsi ai cambiamenti, ma gli strumenti di visualizzazione li aiutano a sapere su cosa dovrebbero lavorare.
Per migliorare le tecniche di salto dei pattinatori olimpici, il gruppo di Richards ha trasformato il film ad alta velocità di pattinatori in questi avatar rotanti. (Per gentile concessione di Jim Richards) Sorprendentemente, il gruppo di Richards ha scoperto che ruotare abbastanza velocemente era più una sfida mentale che fisica per i pattinatori. "Sembra esserci un limite di velocità cablato internamente", afferma, sebbene questa velocità massima vari da persona a persona. Possono essere necessarie settimane o mesi affinché un atleta si alleni per girare più velocemente rispetto alla sua zona di comfort naturale.
Deborah King, professore di scienze motorie e sportive all'Ithaca College, ha esaminato il modo in cui i pattinatori passano dalle doppie alle triple e dalle triple alle quadruple. "In che modo il pattinatore deve bilanciare o ottimizzare il tempo trascorso in aria?" Chiede.
I pattinatori che possono completare in modo affidabile salti tripli o quadrupli, dice, tendono a passare la stessa quantità di tempo in aria indipendentemente dal tipo di salto che stanno eseguendo. Il loro momento angolare all'inizio del salto può essere leggermente più alto per le triple o quadruple che per le doppie, ma la maggior parte della differenza è come controllano il momento d'inerzia.
Detto questo, piccole differenze in altri aspetti del salto possono fare la differenza. Anche una piccola curva nei fianchi e nelle ginocchia può consentire al pattinatore di atterrare con un centro di massa inferiore rispetto a quello iniziale, forse facendo uscire alcuni preziosi gradi di rotazione e una migliore posizione del corpo per l'atterraggio.
C'è un compromesso tra velocità verticale e momento angolare. Per saltare più in alto, i pattinatori potrebbero costruire forza, che potrebbe far loro guadagnare massa muscolare. Quella massa in più potrebbe aumentare ulteriormente il loro momento d'inerzia, rallentandoli nell'aria. "Puoi perdere di più dall'aumento del momento d'inerzia di quanto guadagni dall'aumentare del tempo in aria", afferma Richards. In altre parole, raggiungere l'equilibrio sul ghiaccio richiede il suo equilibrio.
Attualmente, gli uomini di livello olimpico raggiungono al massimo i salti quadrupli, mentre le donne di solito si fermano alle triple. (Finora, la pattinatrice giapponese Miki Ando è l'unica donna a completare con successo un salto quadruplo in competizione.) Questo porta chi si chiede a chi studia la fisica del pattinaggio sul ghiaccio a chiedersi: i quad sono un limite difficile? "In base all'attuale serie di regole, sì, credo che lo sia", afferma Richards. I pattinatori che fanno salti quadrupli stanno già tirando le braccia molto vicino al corpo, quindi non c'è molto spazio per migliorare il momento d'inerzia e ruotare più rapidamente. E saltare molto più in alto richiederebbe probabilmente una maggiore massa muscolare, che rallenterebbe le rotazioni verso il basso.
King è più ottimista. "Una quint sarebbe potenzialmente possibile", afferma. Storicamente, aggiunge, in genere sono necessari alcuni decenni per aggiungere una rotazione in più a un particolare salto di pattinaggio artistico, quindi non dovremmo aspettarci che almeno fino agli anni '30. Per passare dalle quadruple alle quintuple, i pattinatori dovrebbero saltare un po 'più in alto, ottenere un po' più di momento angolare e ridurre il momento di inerzia. "Si tratta di vedere quanto potrebbero potenzialmente cambiare quei numeri in modo realistico", afferma.
L'aumento della velocità di rotazione nell'aria sarebbe una parte necessaria dei salti di quintupla di atterraggio. In un esperimento, il laboratorio di Richards ha mostrato come ciò potrebbe essere possibile. I ricercatori hanno dato ai pattinatori piccoli pesi a mano; quando i pattinatori hanno portato le loro braccia, l'aumento di peso ha comportato un cambiamento maggiore nel momento di inerzia, che ha dato una spinta alla loro velocità di rotazione. (In una sedia da ufficio, se inizi con libri o altri pesi tra le mani, accelererai ancora di più quando tirerai le braccia.)
In effetti, i pattinatori ruotavano più rapidamente con i pesi nelle loro mani, anche se i ricercatori hanno scoperto che hanno compensato rapidamente anche il cambiamento. Dopo il primo salto, tirarono le braccia in meno per mantenere la stessa velocità di rotazione che avevano senza i pesi. Tuttavia, se uno skater volesse fare un salto quintuplo, i pesi delle mani potrebbero aiutarli a ottenere la velocità di rotazione necessaria per completare tutti quei turni.
Per i pattinatori olimpici, tuttavia, c'è solo un piccolo problema. "Credo che stia anche tradendo", afferma Richards.
