Bulan ini di Pyeongchang, tim elit ahli fisika dan material dari seluruh dunia akan membuat kita terpesona dengan penampilan mewah dari rahmat dan kekuatan. Kami biasanya menyebut para ahli ini sebagai atlet. Pesenam menunjukkan pemahaman mereka yang halus tentang gravitasi dan momentum. Perenang dan penyelam menguasai dinamika fluida dan tegangan permukaan. Pemain ski memanfaatkan pengetahuan mereka tentang gesekan dan hidrologi, dan lugers mendorong potongan-potongan aerodinamika mereka hingga batasnya. Lagi pula, para Olympian memahami sains pada tingkat mendalam dengan cara yang sebagian besar dari kita tidak tahu.
Konten terkait
- Sejarah Singkat Skating Tokoh Wanita
- Ice Skates Pertama Bukan untuk Lompat dan Berputar — Mereka Bergerak untuk Berkeliling
Salah satu tempat terbaik untuk menjelajahi berbagai kekuatan fisik ini adalah skating. Setiap putaran, putaran, dan lompatan seorang skater dimulai dengan keseimbangan. Dan keseimbangan bergantung pada kemampuan untuk menjaga pusat massa Anda — yang, seperti namanya, adalah pusat di mana massa objek berada — langsung di atas titik kontak dengan es. Untuk objek yang sangat simetris seperti lingkaran atau bola, yang ada di tengah mati. Untuk bentuk tubuh manusia yang lumpuh dan bergelombang, pusat massa bervariasi dari orang ke orang tetapi cenderung sedikit di bawah pusar. Melalui luncuran, putaran, lepas landas, dan pendaratan, seorang skater harus menjaga agar pusat massa mereka sejajar dengan kaki di atas es — atau berisiko jatuh.
Bukan hanya pusat massa yang penting dalam skating tokoh. "Momen inersia, " ukuran bagaimana massa itu didistribusikan relatif terhadap pusat gravitasi, membuat perbedaan juga. Ketika seorang skater melakukan putaran yang menyilaukan, mereka mengendalikan kecepatan rotasi mereka dengan menarik lengan mereka untuk mengurangi momen inersia dan mempercepat rotasi atau menyebarkannya untuk mengurangi momen inersia dan rotasi lambat.
Orang yang lebih suka mengalami fisika pada permukaan yang tidak terlalu licin dapat berputar di kursi kantor dengan lengan terentang: Tarik di lengan, dan kecepatan putaran meningkat. Peningkatan ini disebabkan oleh prinsip yang disebut konservasi momentum sudut. Momen inersia yang lebih tinggi berhubungan dengan kecepatan rotasi yang lebih rendah, dan momen inersia yang lebih rendah sesuai dengan kecepatan rotasi yang lebih tinggi.
Skater tokoh Jepang Miki Ando, ditampilkan di sini di Olimpiade Musim Dingin 2010 di Vancouver, Kanada, adalah satu-satunya wanita yang berhasil melakukan empat kali lipat Salchow. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Tapi sebaik putarannya, lompatan mungkin menjadi contoh buku fisika paling indah dalam skating es. Figur skaters lepas landas dan berlayar melalui kurva parabola anggun, berputar saat mereka pergi. Pertukaran antara energi yang digunakan untuk berlayar dan pemintalan itulah yang membuat lompatan menjadi bagian yang sulit — dan mengesankan — dari rutinitas skater mana pun.
"Itu berjumlah tiga komponen: berapa banyak momentum sudut yang Anda tinggalkan di es, seberapa kecil Anda dapat membuat momen inersia di udara, dan berapa banyak waktu yang dapat Anda habiskan di udara, " kata James Richards, seorang profesor kinesiologi dan fisiologi terapan di University of Delaware yang telah bekerja dengan skaters tokoh Olimpiade dan pelatih mereka dalam meningkatkan teknik lompat mereka. Kelompoknya menemukan bahwa sebagian besar skater memiliki momentum sudut yang diperlukan meninggalkan es, tetapi kadang-kadang mengalami kesulitan mendapatkan kecepatan rotasi yang cukup untuk menyelesaikan lompatan.
Bahkan perubahan kecil pada posisi lengan di tengah rotasi dapat menyebabkan lompatan yang berhasil diselesaikan. “Apa yang mengejutkan adalah betapa sedikit yang diperlukan untuk membuat perbedaan besar, ” katanya. "Kamu menggerakkan lenganmu tiga atau empat derajat, dan itu meningkatkan laju putaran cukup sedikit."
Pada awalnya, lab mengalami kesulitan menerjemahkan temuan ini menjadi saran untuk skater. “Bidang saya luar biasa dalam membuat bagan dan plot serta grafik dan tabel, ” katanya. Tapi itu bukan media yang diserap skater dan pelatih terbaik. "Kami mengambil semua matematika itu dan membuatnya menjadi konstruksi yang sangat sederhana." Secara khusus, mereka mengambil video kecepatan tinggi dari para skater dan mentransfer data itu ke avatar skater. Kemudian mereka akan masuk dan mengubah posisi tubuh pada titik lompatan di mana skater memiliki ruang untuk ditingkatkan.
Skater kemudian dapat melihat perbandingan antara apa yang mereka lakukan dan seperti apa lompatan dengan beberapa modifikasi kecil. "Apa pun yang kita ubah dapat dilakukan, " katanya. "Kami kembali dan melihat kekuatan yang diperlukan untuk skater untuk melakukan ini dan memastikan mereka semua baik dalam batas kekuatan skater, dan ternyata sebagian kecil dari kekuatan maksimum mereka." Skaters masih memiliki menghabiskan banyak waktu di atas es untuk membiasakan diri dengan perubahan, tetapi alat visualisasi membantu mereka mengetahui apa yang harus mereka kerjakan.
Untuk meningkatkan teknik lompat skater Olimpiade, kelompok Richards mengubah film skater kecepatan tinggi menjadi avatar yang berputar. (Atas perkenan Jim Richards) Yang mengejutkan, kelompok Richards mendapati bahwa berotasi dengan cukup cepat lebih merupakan masalah mental daripada tantangan fisik bagi pemain skating. "Tampaknya ada batas kecepatan yang terhubung secara internal, " katanya, meskipun kecepatan maksimum ini bervariasi dari orang ke orang. Butuh beberapa minggu atau bulan bagi seorang atlet untuk melatih diri mereka untuk berputar lebih cepat daripada zona kenyamanan alami mereka.
Deborah King, seorang profesor ilmu olahraga dan olahraga di Ithaca College, telah melihat bagaimana skaters bergerak dari dua kali lipat menjadi tiga kali lipat — dan tiga kali lipat menjadi empat kali lipat. "Bagaimana skater perlu menyeimbangkan atau mengoptimalkan waktu yang dihabiskan di udara?" Tanyanya.
Skater yang andal bisa menyelesaikan lompatan tiga atau empat kali lipat, katanya, cenderung menghabiskan jumlah waktu yang sama di udara terlepas dari apa jenis lompatan yang mereka lakukan. Momentum sudut mereka pada awal lompatan mungkin sedikit lebih tinggi untuk tripel atau empat kali lipat daripada untuk ganda, tetapi mayoritas perbedaannya adalah bagaimana mereka mengendalikan momen inersia.
Yang mengatakan, perbedaan kecil dalam aspek lain dari lompatan dapat membuat perbedaan. Bahkan sedikit lengkungan di pinggul dan lutut dapat memungkinkan skater mendarat dengan pusat massa yang lebih rendah daripada yang mereka mulai, mungkin menambah beberapa derajat rotasi berharga dan posisi tubuh yang lebih baik untuk mendarat.
Ada trade-off antara kecepatan vertikal dan momentum sudut. Untuk melompat lebih tinggi, skater dapat membangun kekuatan, yang dapat menyebabkan mereka mendapatkan massa otot. Massa ekstra itu selanjutnya dapat meningkatkan momen inersia mereka, memperlambatnya di udara. "Anda bisa kehilangan lebih banyak dari peningkatan momen inersia daripada yang Anda dapatkan dari peningkatan waktu di udara, " kata Richards. Dengan kata lain, mencapai keseimbangan di atas es membutuhkan keseimbangannya sendiri.
Saat ini, pria tingkat Olimpiade max di empat kali lipat, sedangkan wanita biasanya berhenti di tiga kali lipat. (Sejauh ini, skater Jepang Miki Ando adalah satu-satunya wanita yang berhasil menyelesaikan lompatan empat kali lipat dalam kompetisi.) Hal ini membuat mereka yang mempelajari fisika skating es bertanya-tanya: adakah batas yang sulit? "Di bawah seperangkat aturan saat ini, ya, saya percaya itu, " kata Richards. Skater yang melakukan lompatan empat kali lipat sudah menarik lengan mereka sangat dekat dengan tubuh, sehingga tidak ada banyak ruang untuk meningkatkan momen inersia dan memutar lebih cepat. Dan melompat jauh lebih tinggi mungkin akan membutuhkan lebih banyak massa otot, yang akan memperlambat rotasi.
Raja lebih optimis. "Sebuah quint berpotensi terjadi, " katanya. Secara historis, ia menambahkan, biasanya diperlukan beberapa dekade untuk menambahkan rotasi ekstra pada lompatan skating angka tertentu, jadi kita tidak boleh mengharapkan mereka sampai setidaknya tahun 2030-an. Untuk beralih dari empat kali lipat menjadi empat kali lipat, skater perlu melompat sedikit lebih tinggi, mendapatkan momentum yang lebih bersudut dan mengurangi momen inersia. "Ini masalah melihat seberapa besar mereka berpotensi mengubah angka-angka itu secara realistis, " katanya.
Meningkatkan kecepatan rotasi di udara akan menjadi bagian penting dari lompatan berlipat lima pendaratan. Dalam percobaan, lab Richards menunjukkan bagaimana itu mungkin terjadi. Peneliti memberi skater bobot tangan kecil; ketika skaters membawa lengan mereka, peningkatan berat berarti ada perubahan yang lebih besar pada momen inersia, yang memberi kecepatan rotasi mereka dorongan. (Di kursi kantor, jika Anda mulai dengan buku atau beban lain di tangan Anda, Anda akan lebih cepat ketika Anda menarik lengan Anda.)
Memang, skater berputar lebih cepat dengan beban di tangan mereka, meskipun para peneliti menemukan bahwa mereka mengimbangi perubahan itu dengan cepat juga. Setelah lompatan pertama, mereka menarik lengan mereka lebih sedikit untuk mempertahankan kecepatan rotasi yang sama dengan yang mereka miliki tanpa beban. Namun, jika seorang skater ingin melakukan lompatan rangkap lima, bobot tangan dapat membantu mereka mendapatkan kecepatan rotasi yang diperlukan untuk menyelesaikan semua belokan itu.
Namun untuk para skater Olympian, hanya ada satu masalah kecil. "Saya percaya itu juga curang, " kata Richards.
