今月の平昌では、世界中の物理学と材料科学の専門家のエリートチームが、優雅さと力の誇張された表示で私たちを魅了します。 通常、これらの専門家をアスリートと呼びます。 体操選手は、重力と運動量についての微妙な理解を示します。 スイマーとダイバーは、流体力学と表面張力をマスターします。 スキーヤーは摩擦と水文学の知識を活用し、ラガーは空力性能を限界まで押し上げます。 結局のところ、オリンピック選手は私たちのほとんどが理解していない方法で内臓レベルで科学を理解しています。
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このさまざまな物理的な力を探索するのに最適な場所の1つは、フィギュアスケートです。 スケーターのあらゆるひねり、回転、飛躍はバランスから始まります。 そしてバランスは、氷との接触点の真上に、質量の中心（名前が示すように、オブジェクトの質量が位置する中心）を維持できることに依存しています。 円や球のような高度に対称的なオブジェクトの場合、それは死点にあります。 人間の体のよりゴツゴツした、でこぼこの形状の場合、重心は人によって異なりますが、へそより少し下になる傾向があります。 滑走、スピン、離陸、着陸を通じて、フィギュアスケート選手は重心を氷上での足に合わせなければなりません。さもないと転倒する危険があります。
フィギュアスケートで重要なのは質量の中心だけではありません。 「慣性モーメント」、つまり質量が重心に対してどのように分布しているかの尺度も違いを生みます。 スケーターがまばゆいスピンを行うとき、彼らは腕を引っ張って慣性モーメントを減らして回転を加速するか、それらを広げて慣性モーメントと遅い回転を減らすことによって回転速度を制御します。
滑りにくい表面で物理学を体験することを好む人は、腕を伸ばしたオフィスチェアで回ることができます。腕を引っ張ると、回転速度が上がります。 この増加は、角運動量の保存と呼ばれる原理によるものです。 より高い慣性モーメントはより低い回転速度に対応し、より低い慣性モーメントはより高い回転速度に対応します。
カナダのバンクーバーで開催された2010年冬季オリンピックでここに示された日本人フィギュアスケーター安藤美紀は、4回サルコウを首尾よく演じた唯一の女性です。 （ZUMA Press、Inc. / Alamy） しかし、スピンと同様に、ジャンプはアイススケートの物理学の最も美しい教科書の例かもしれません。 フィギュアスケート選手は、優雅な放物線を脱いで航行し、進むにつれて回転します。 セーリングとスピンに使用されるエネルギーのトレードオフが、スケーターのルーチンの一部であるジャンプを困難かつ印象的なものにしている理由です。
「それは3つの要素になります。どれだけの角運動量で氷を離れるのか、空中で慣性モーメントをどれだけ小さくできるのか、空中で過ごす時間の長さです」と、ジェームズリチャーズ教授デラウェア大学で運動学と応用生理学を学んでおり、オリンピックのフィギュアスケート選手とそのコーチと協力してジャンプテクニックの改善に取り組んでいます。 彼のグループは、ほとんどのスケーターが氷を離れるのに必要な角運動量を持っているが、ジャンプを完了するのに十分な回転速度を得るのに苦労することがあることを発見しました。
回転の途中で腕の位置をわずかに変更しても、ジャンプが正常に完了する可能性があります。 「衝撃的なのは、大きな違いを生むのにどれだけ必要なのかということです」と彼は言います。 「腕を3〜4度動かすと、スピン速度がかなり上がります。」
最初は、これらの調査結果をスケーター向けのアドバイスに変換するのは困難でした。 「私の分野は、チャートやプロット、グラフや表を作成するのが素晴らしいです」と彼は言います。 しかし、それらはスケーターやコーチが最も吸収したメディアではありませんでした。 「すべての数学を取り込んで、非常に単純な構造に要約しました。」特に、スケーターの高速ビデオを撮影し、そのデータをスケーターのアバターに転送しました。 その後、彼らは入り、スケーターに改善の余地があるジャンプのポイントで体の位置を微調整します。
その後、スケーターは、彼らがしたことと、小さな修正を加えるとジャンプがどのようになるかを比較することができました。 「私たちが変えることは何でもできます」と彼は言います。 「スケーターがこれを行うのに必要な力を振り返り、スケーターの強さの制限内にいることを確認します。スケーターはまだ最大強さのほんの一部です。」氷の上で多くの時間を費やして変更に慣れますが、視覚化ツールを使用すると、作業の内容を把握できます。
オリンピックのスケーターのジャンプテクニックを向上させるために、リチャーズのグループは、スケーターの高速映画をこれらの回転するアバターに変えました。 （提供：ジムリチャーズ） 驚くべきことに、リチャーズのグループは、スケーターにとって十分に速く回転することは身体的な挑戦というよりも精神的なことであることに気付いた。 「内部で配線されている速度制限があるように見えます」と彼は言いますが、この最大速度は人によって異なります。 アスリートが自然な快適ゾーンよりも速く回転するようにトレーニングするには、数週間または数か月かかる場合があります。
イサカ大学の運動科学およびスポーツ科学の教授であるデボラキングは、スケーターがどのようにダブルからトリプル、トリプルからクアドラプルに移行するかを検討しました。 「スケーターは、空中で過ごす時間のバランスを取り、最適化する必要がありますか？」と彼女は尋ねます。
トリプルまたは4倍のジャンプを確実に完了することができるスケーターは、実行するジャンプの種類に関係なく、空中で同じ時間を過ごす傾向があると彼女は言います。 ジャンプの開始時の角運動量は、トリプルよりもトリプルよりもダブルよりもわずかに高い場合がありますが、違いの大部分は慣性モーメントの制御方法です。
そうは言っても、ジャンプの他の側面のわずかな違いが違いを生む可能性があります。 ヒップと膝が少し曲がっていても、スケーターは当初よりも低い重心で着地することができ、おそらくいくつかの貴重な回転角度と着地のためのより良い体位を引き出します。
垂直速度と角運動量の間にはトレードオフがあります。 より高くジャンプするために、スケーターは筋力を増強する可能性があり、それにより筋肉量が増加する可能性があります。 その余分な質量は、慣性モーメントをさらに増加させ、空中で減速させます。 「空中での時間の増加から得られるよりも、慣性モーメントの増加から多くを失う可能性があります」とリチャーズは言います。 言い換えれば、氷上でバランスをとるには独自のバランスが必要です。
現在、オリンピックレベルの男性は4回のジャンプで最大になり、女性は通常3回のジャンプで停止します。 （これまでのところ、日本のスケーターの安藤美紀は、競技で4回ジャンプを成功裏に完了する唯一の女性です。）これは、アイススケートの物理学を研究する人々を不思議にさせます：クワッドは厳しい制限ですか？ 「現在の一連のルールの下では、そうだと思います」とリチャーズは言います。 4回ジャンプに行くスケーターはすでに腕を体の近くに引っ張っているので、慣性モーメントを改善してより速く回転する余地はあまりありません。 そして、もっと高くジャンプするには、おそらく筋肉量を増やす必要があり、回転が遅くなります。
キングはより楽観的です。 「クイントは可能性がある」と彼女は言う。 歴史的に、彼女は、特定のフィギュアスケートジャンプに余分な回転を追加するのに一般に数十年かかるので、少なくとも2030年代までそれらを期待すべきではないと付け加えます。 4連から5連にするには、スケーターは少し高くジャンプし、もう少し角運動量を取得し、慣性モーメントを減らす必要があります。 「これらの数値をどれだけ現実的に変更できるかを検討することです」と彼女は言います。
空気中の回転速度を上げることは、5回ジャンプの着陸に必要な部分です。 実験で、リチャーズの研究室はそれがどのように可能であるかを示しました。 研究者はスケーターに小さな手の重みを与えました。 スケーターが腕を持ち込んだとき、重量が増えたことで慣性モーメントが大きく変化し、回転速度が向上しました。 （オフィスの椅子では、本や他の重りを手に持って始めると、腕を引っ張るとさらにスピードが上がります。）
実際、スケーターは重りを手に持ってより速く回転しましたが、研究者たちは変化を素早く補償したことも発見しました。 最初のジャンプの後、彼らは重りなしで持っていたのと同じ回転速度を維持するために、より少ない腕を引いた。 それでも、スケーターが五重ジャンプをしたい場合、手の重みは、それらすべてのターンを完了するために必要な回転速度を得るのに役立ちます。
しかし、オリンピアのスケーターにとって、たった一つの小さな問題があります。 「不正行為でもあると思います」とリチャーズは言います。
