Физика и фигурное катание

Российские фигуристы не слезают с почетного пьедестала: раз за разом, год за годом на каждом соревновании они завоевывают заветные золотые и серебряные медали, и кажется их мастерству нет предела. Вот и на нынешней Олимпиаде в Пхёнчхане побит мировой рекорд и взяты очередные награды. Народ ликует и рассыпается в поздравлениях, а знает ли кто-нибудь из вас, что за блистательной техникой спортсмена на льду стоит банальная и для кого-то скучная физика?

Разговоры об угловом моменте могут поставить в тупик и профессионального спортсмена, и простого обывателя. Оно им ни к чему, но человеку любознательному и интеллектуальному знать полезно, чтобы еще раз убедиться в красоте и силе физических законов.

Фигурист в начале своего выступления раскатывается плавно и неторопливо, раскинув руки в разные стороны. Но как только музыка ускоряет темп и предстоит сложный элемент, спортсмен поджимает руки ближе к корпусу тела и начинает крутиться как юла. Тройной и четверной "тулуп" никогда бы не получились у прославленных фигуристов, если бы они не умели пользоваться, хоть и неосознанно, законом сохранения углового момента.

Вообще в физике угловым моментом называют количество вращения предмета. Как это понять? Вот есть количество пар коньков - двое или трое, а разве можно движение выразить в количестве?

Рассмотрим пример, где количество настолько очевидно, что не вызывает вопросов. Поговорим о массе. Взяли мы к примеру соду и уксус, а затем смешали в раствор, предварительно измерив вес каждого вещества. Произошла известная химическая реакция, пошла пена и пузырьки, выделилась двуокись углерода, какое-то из веществ перешло в новую форму или стало новым веществом. Как бы то ни было, если мы измерим раствор после смешения, то его масса будет равна изначальной массе. То есть масса сохранилась, несмотря на грозное шипение и испускание газа в емкости.

Но есть ситуации, когда масса сохраняется не очевидным способом для простого наблюдателя. В ядерных реакциях при делении атомов масса до и после взаимодействия различна. Можно подумать она таинственным образом исчезает или кто-то ее крадет, но если мы посмотрим на энергию, которая, как доказал Энштейн одним известным уравнением, прямым образом связана с массой вещества, то она сохранится, только перейдет в другую форму.

А теперь вернемся к угловому моменту. Он говорит нам о количестве вращательного движения, которое складывается из скорости вращения и момента инерции. Тут опять возникает определенная сложность, потому что скорость - величина понятная каждому человеку, а вот момент инерции - специфический показатель, тем не менее хорошо известный всем, кто прошел в вузе сопромат. Моментом инерции называют свойство предмета, которое зависит от распределения массы вокруг воображаемой оси вращения.

Если взять ровный металлический цилиндр, то все его боковые поверхности будут на одинаковом расстоянии от воображаемой вертикальной оси вращения, но если взглянуть на профиль чайника для заварки, то его носик и ручка будут на разных расстоянии от условной оси. Вывод в том, что у чайника момент инерции большой, а у цилиндра - минимальный для этой формы тела.

Как же фигуристы интуитивно пользуются законами физики? В исходной позиции, когда фигурист стоит на скользком льду с распростертыми руками и с сомкнутыми и расположенными близко к воображаемой вертикальной оси ногами, то его тело слегка вращается от начального толчка. Наблюдается минимальный крутящий момент, повысить который самостоятельно сам себе объект не может, если только какой-то посторонний наблюдатель не раскрутит фигуриста своими силами.

В эти минуты угловой момент сохраняет свою постоянную величину. Но стоит только фигуристу прижать руки к телу, масса перемещается ближе к корпусу, то есть к воображаемой оси, в результате чего понижается момент инерции. Вслед за этим начинает работать закон сохранения углового момента, которому для компенсации своего количества нужно повысить другой параметр - угловую скорость. В этом случае, без приложения каких-либо посторонних сил, спортсмен начинает быстро вращаться на льду вокруг своей оси, только коньки сверкают.

В справедливости вышеописанных физических законов каждый из нас может убедиться самостоятельно, если раскрутится в офисном кресле, меняя положение рук в пространстве. Вы конечно можете надеть коньки и попробовать свое мастерство на льду, но лучше оставьте виртуозные прыжки и вращения для профессионалов. Фигуристы занимаются катанием всю жизнь и вряд ли кто-то из нас сможет их превзойти.

Источник Фото 1