Este mês em Pyeongchang, equipes de elite de especialistas em física e ciência de materiais de todo o mundo nos deslumbrarão com exibições ostensivas de graça e poder. Nós comumente nos referimos a esses especialistas como atletas. As ginastas demonstram sua compreensão sutil da gravidade e do momento. Nadadores e mergulhadores dominam a dinâmica dos fluidos e a tensão superficial. Os esquiadores aproveitam seus conhecimentos de fricção e hidrologia, e as lagers empurram suas costeletas aerodinâmicas para os limites. Os olimpianos, afinal, entendem a ciência em um nível visceral da maneira que a maioria de nós não faz.
Conteúdo Relacionado
- Uma Breve História da Patinagem Artística Feminina
- Os primeiros patins de gelo não foram para saltos e Twirls - eles eram para se locomover
Um dos melhores lugares para explorar essa variedade de forças físicas é a patinação artística. Cada torção, giro e salto de um skatista começa com o equilíbrio. E o equilíbrio depende de ser capaz de manter seu centro de massa - que, como o nome indica, é o centro de onde a massa de um objeto está localizada - diretamente sobre um ponto de contato com o gelo. Para um objeto altamente simétrico como um círculo ou esfera, isso está no centro morto. Para a forma mais volumosa do corpo humano, o centro de massa varia de pessoa para pessoa, mas tende a ficar um pouco abaixo do umbigo. Através de planadores, giros, decolagens e aterrissagens, um patinador tem que manter seu centro de massa alinhado com um pé no gelo - ou correr o risco de cair.
Não é apenas o centro de massa que importa na patinação artística. O “momento de inércia”, uma medida de como essa massa é distribuída em relação ao centro de gravidade, também faz a diferença. Quando uma patinadora realiza um giro deslumbrante, ela controla sua velocidade de rotação puxando seus braços para diminuir o momento de inércia e acelerar a rotação ou estendendo-os para diminuir o momento de inércia e a rotação lenta.
As pessoas que preferem experimentar a física em uma superfície menos escorregadia podem girar em torno de uma cadeira de escritório com os braços estendidos: Puxe os braços e a velocidade de giro aumenta. Este aumento é devido a um princípio chamado a conservação do momento angular. Um maior momento de inércia corresponde a uma menor velocidade de rotação, e um menor momento de inércia corresponde a uma maior velocidade de rotação.
A patinadora artística japonesa Miki Ando, mostrada aqui nos Jogos Olímpicos de Inverno de 2010 em Vancouver, Canadá, é a única mulher a ter realizado com sucesso um Salchow quádruplo. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Mas, por mais legais que sejam os spins, os saltos podem ser os mais belos exemplos de física em patinação no gelo. Os patinadores descem e navegam através de uma graciosa curva parabólica, girando à medida que vão. Esse trade-off entre a energia usada para velejar e girar é o que torna os saltos tão difíceis - e impressionantes - parte da rotina de qualquer patinadora.
“Isso equivale a três componentes: com quanto momento angular você deixa o gelo, quão pequeno você pode fazer seu momento de inércia no ar e quanto tempo você pode gastar no ar”, diz James Richards, professor de cinesiologia e fisiologia aplicada na Universidade de Delaware, que trabalhou com patinadores olímpicos e seus treinadores na melhoria de suas técnicas de salto. Seu grupo descobriu que a maioria dos skatistas tinha o momento angular necessário deixando o gelo, mas às vezes tinha dificuldade em obter velocidade de rotação suficiente para completar o salto.
Até mesmo pequenas mudanças na posição do braço durante a rotação podem levar a um salto concluído com sucesso. "O que é chocante é quão pouco é preciso para fazer uma enorme diferença", diz ele. "Você move os braços três ou quatro graus e aumenta bastante a taxa de rotação."
No início, o laboratório teve alguma dificuldade em traduzir essas descobertas em conselhos para skatistas. "Meu campo é maravilhoso em fazer gráficos e gráficos e tabelas", diz ele. Mas esses não eram os meios de comunicação que os skatistas e treinadores melhor absorviam. “Nós pegamos toda essa matemática e resumimos isso a uma construção muito simples.” Especificamente, eles pegaram vídeos de alta velocidade dos skatistas e transferiram esses dados para um avatar do skatista. Então eles entravam e ajustavam a posição do corpo no ponto do salto, onde o patinador tinha espaço para melhorar.
O skatista poderia então ver a comparação entre o que eles fizeram e o que o salto seria com algumas pequenas modificações. "Tudo o que mudamos pode ser feito", diz ele. "Nós voltamos e olhamos as forças necessárias para os skatistas fazerem isso e ter certeza de que eles estão bem dentro do limite de força do skatista, e isso acaba sendo uma pequena fração de sua força máxima." Skaters ainda têm gastar muito tempo no gelo para se acostumar com as mudanças, mas as ferramentas de visualização os ajudam a saber no que devem trabalhar.
Para melhorar as técnicas de salto dos skatistas olímpicos, o grupo de Richards transformou o filme de patinadores de alta velocidade em avatares giratórios. (Cortesia Jim Richards) Surpreendentemente, o grupo de Richards descobriu que girar com rapidez suficiente era mais um desafio mental do que físico para os skatistas. "Parece haver um limite de velocidade que é internamente ligado", diz ele, embora essa velocidade máxima varia de pessoa para pessoa. Pode levar semanas ou meses para um atleta treinar-se para girar mais rápido do que sua zona de conforto natural.
Deborah King, professora de ciências do exercício e do esporte no Colégio Ithaca, analisou como os skatistas passam de duplos para triplos - e triplica para quadruplicar. “Como o skatista precisa equilibrar ou otimizar o tempo gasto no ar?”, Ela pergunta.
As patinadoras que conseguem completar saltos triplos ou quádruplos com segurança, diz ela, tendem a passar a mesma quantidade de tempo no ar, independentemente do tipo de salto que estejam executando. Seu momento angular no início do salto pode ser ligeiramente maior para triplos ou quádruplos do que para duplos, mas a maioria da diferença é como eles controlam o momento de inércia.
Dito isso, pequenas diferenças em outros aspectos do salto podem fazer a diferença. Mesmo uma pequena flexão nos quadris e nos joelhos pode permitir que o skatista aterre com um centro de massa mais baixo do que eles começaram, talvez alcançando alguns preciosos graus de rotação e uma posição corporal melhor para o pouso.
Existe um trade-off entre a velocidade vertical e o momento angular. Para pular mais alto, os skatistas podem aumentar a força, o que poderia levá-los a ganhar massa muscular. Essa massa extra poderia aumentar ainda mais seu momento de inércia, diminuindo a velocidade no ar. "Você pode perder mais com o aumento do momento de inércia do que com o aumento do tempo no ar", diz Richards. Em outras palavras, alcançar o equilíbrio no gelo tem seu próprio equilíbrio.
Atualmente, os homens de nível olímpico maximizam os saltos quádruplos, enquanto as mulheres geralmente param em triplos. (Até agora, a patinadora japonesa Miki Ando é a única mulher a completar com sucesso um salto quádruplo na competição.) Isso leva aqueles que estudam a física da patinação no gelo a se perguntar: os quadríceps são um limite difícil? "Sob o atual conjunto de regras, sim, eu acredito que seja", diz Richards. As patinadoras que fazem saltos quádruplos já estão puxando os braços muito perto do corpo, então não há muito espaço para melhorar o momento de inércia e girar mais rapidamente. E saltar muito mais provavelmente exigiria a construção de mais massa muscular, o que diminuiria as rotações.
King é mais otimista. "Um quint potencialmente seria possível", diz ela. Historicamente, ela acrescenta, geralmente são necessárias algumas décadas para adicionar uma rotação extra a um determinado salto de patinação artística, então não devemos esperar pelo menos até 2030. Para ir de quádruplos a quíntuplos, os skatistas precisariam pular um pouco mais alto, obter um pouco mais de momento angular e diminuir o momento de inércia. "É uma questão de ver o quanto eles poderiam potencialmente mudar esses números de forma realista", diz ela.
Aumentar a velocidade de rotação no ar seria uma parte necessária dos saltos de quíntuplos de aterrissagem. Em um experimento, o laboratório de Richards mostrou como isso poderia ser possível. Os pesquisadores deram aos skatistas pequenos pesos de mão; Quando os skatistas trouxeram seus braços, o aumento de peso significou que houve uma mudança maior no momento de inércia, o que deu um impulso a sua velocidade de rotação. (Em uma cadeira de escritório, se você começar com livros ou outros pesos em suas mãos, você vai acelerar ainda mais quando você puxar seus braços.)
De fato, os patinadores giraram mais rapidamente com os pesos em suas mãos, embora os pesquisadores descobrissem que eles também compensavam a mudança rapidamente. Após o primeiro salto, eles puxaram os braços em menos para manter a mesma velocidade de rotação que tinham sem os pesos. Ainda assim, se um skatista quisesse dar um salto quíntuplo, os pesos das mãos poderiam ajudá-los a obter a velocidade rotacional necessária para completar todos esses turnos.
Para os skatistas olímpicos, no entanto, há apenas um pequeno problema. "Eu acredito que também é trapaça", diz Richards.
