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Cómo la física mantiene a los patinadores artísticos con gracia

Este mes en Pyeongchang, equipos de élite de expertos en física y ciencia de materiales de todo el mundo nos deslumbrarán con ostentosas muestras de gracia y poder. Comúnmente nos referimos a estos expertos como atletas. Los gimnastas demuestran su sutil comprensión de la gravedad y el impulso. Los nadadores y buzos dominan la dinámica de fluidos y la tensión superficial. Los esquiadores aprovechan su conocimiento de la fricción y la hidrología, y los lugers llevan sus habilidades aerodinámicas al límite. Los olímpicos, después de todo, entienden la ciencia a nivel visceral de la manera en que la mayoría de nosotros no.

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Uno de los mejores lugares para explorar esta variedad de fuerzas físicas es el patinaje artístico. Un patinador cada giro, salto y salto comienza con el equilibrio. Y el equilibrio depende de poder mantener su centro de masa, que, como su nombre lo indica, es el centro donde se encuentra la masa de un objeto, directamente sobre un punto de contacto con el hielo. Para un objeto altamente simétrico como un círculo o esfera, eso está en el punto muerto. Para la forma más grumosa del cuerpo humano, el centro de masa varía de persona a persona, pero tiende a estar un poco por debajo del ombligo. A través de deslizamientos, giros, despegues y aterrizajes, un patinador tiene que mantener su centro de masa alineado con un pie sobre el hielo, o arriesgarse a caerse.

No es solo el centro de masa lo que importa en el patinaje artístico. El "momento de inercia", una medida de cómo se distribuye esa masa en relación con el centro de gravedad, también hace una diferencia. Cuando un patinador realiza un giro deslumbrante, controla su velocidad de rotación tirando de sus brazos para disminuir el momento de inercia y acelerar la rotación o extendiéndolos para disminuir el momento de inercia y la rotación lenta.

Las personas que prefieren experimentar la física en una superficie menos resbaladiza pueden girar en una silla de oficina con los brazos extendidos: tire de los brazos y la velocidad de giro aumenta. Este aumento se debe a un principio llamado conservación del momento angular. Un momento de inercia más alto corresponde a una velocidad de rotación más baja, y un momento de inercia más bajo corresponde a una velocidad de rotación más alta.

DKWX7B.jpg La patinadora japonesa Miki Ando, ​​que se muestra aquí en los Juegos Olímpicos de Invierno de 2010 en Vancouver, Canadá, es la única mujer que ha realizado con éxito un Salchow cuádruple. (ZUMA Press, Inc. / Alamy)

Pero a pesar de lo bonitos que son los giros, los saltos pueden ser los ejemplos más bellos de física en el patinaje sobre hielo. Los patinadores artísticos despegan y navegan a través de una elegante curva parabólica, girando a medida que avanzan. Esa compensación entre la energía utilizada para navegar y girar es lo que hace que los saltos sean una parte tan difícil e impresionante de la rutina de cualquier patinador.

"Se trata de tres componentes: cuánto momento angular deja el hielo, qué tan pequeño puede hacer que su momento de inercia en el aire y cuánto tiempo puede pasar en el aire", dice James Richards, profesor de Kinesiología y fisiología aplicada en la Universidad de Delaware que ha trabajado con patinadores olímpicos y sus entrenadores para mejorar sus técnicas de salto. Su grupo descubrió que la mayoría de los patinadores tenían el impulso angular necesario para abandonar el hielo, pero a veces tenían problemas para obtener suficiente velocidad de rotación para completar el salto.

Incluso pequeños cambios en la posición del brazo a la mitad de la rotación podrían conducir a un salto completado con éxito. "Lo sorprendente es lo poco que se necesita para hacer una gran diferencia", dice. "Mueves los brazos tres o cuatro grados, y aumenta un poco la velocidad de giro".

Al principio, el laboratorio tuvo algunas dificultades para traducir estos hallazgos en consejos para los patinadores. "Mi campo es maravilloso para hacer cuadros, diagramas, gráficos y tablas", dice. Pero esos no fueron los medios que los patinadores y entrenadores absorbieron mejor. "Tomamos todas esas matemáticas y las resumimos en una construcción muy simple". Específicamente, tomaron videos de alta velocidad de los patinadores y transfirieron esos datos a un avatar del patinador. Luego entrarían y modificarían la posición del cuerpo en el punto del salto donde el patinador tenía algo de espacio para mejorar.

El patinador pudo ver la comparación entre lo que hicieron y cómo se vería el salto con algunas pequeñas modificaciones. "Cualquier cosa que cambiemos se puede hacer", dice. "Volvemos y observamos las fuerzas requeridas para que los patinadores hagan esto y nos aseguramos de que todos estén dentro del límite de fuerza del patinador, y resulta ser una pequeña fracción de su fuerza máxima". Los patinadores todavía tienen pasar mucho tiempo en el hielo acostumbrándose a los cambios, pero las herramientas de visualización les ayudan a saber en qué deberían estar trabajando.

Skating.gif Para mejorar las técnicas de salto de los patinadores olímpicos, el grupo de Richards convirtió películas de patinadores de alta velocidad en estos avatares giratorios. (Cortesía de Jim Richards)

Sorprendentemente, el grupo de Richards descubrió que rotar lo suficientemente rápido era más un desafío mental que físico para los patinadores. "Parece que hay un límite de velocidad que está cableado internamente", dice, aunque esta velocidad máxima varía de persona a persona. Puede tomar semanas o meses para que un atleta se entrene para girar más rápido que su zona de confort natural.

Deborah King, profesora de ejercicio y ciencias del deporte en el Ithaca College, observó cómo los patinadores se mueven de dobles a triples, y de triples a cuádruples. "¿Cómo necesita el patinador para equilibrar u optimizar el tiempo que pasa en el aire?", Pregunta.

Los patinadores que pueden completar saltos triples o cuádruples de manera confiable, dice, tienden a pasar la misma cantidad de tiempo en el aire sin importar qué tipo de salto estén ejecutando. Su momento angular al comienzo del salto puede ser ligeramente mayor para triples o cuádruples que para dobles, pero la mayoría de la diferencia es cómo controlan el momento de inercia.

Dicho esto, pequeñas diferencias en otros aspectos del salto pueden marcar la diferencia. Incluso una pequeña curva en las caderas y las rodillas puede permitir que el patinador aterrice con un centro de masa más bajo de lo que comenzó, tal vez obteniendo unos preciosos grados de rotación y una mejor posición del cuerpo para aterrizar.

Existe una compensación entre la velocidad vertical y el momento angular. Para saltar más alto, los patinadores pueden desarrollar fuerza, lo que puede hacer que ganen masa muscular. Esa masa extra podría aumentar aún más su momento de inercia, ralentizándolos en el aire. "Puede perder más por el aumento en el momento de inercia de lo que gana por un mayor tiempo en el aire", dice Richards. En otras palabras, lograr el equilibrio en el hielo toma su propio equilibrio.

Actualmente, los hombres de nivel olímpico alcanzan el máximo en saltos cuádruples, mientras que las mujeres generalmente se detienen en triples. (Hasta ahora, la patinadora japonesa Miki Ando es la única mujer que completa con éxito un salto cuádruple en competencia). Esto lleva a quienes estudian la física del patinaje sobre hielo a preguntarse: ¿son los quads un límite difícil? "Según el conjunto actual de reglas, sí, creo que lo es", dice Richards. Los patinadores que realizan saltos cuádruples ya están tirando de sus brazos muy cerca del cuerpo, por lo que no hay mucho espacio para mejorar el momento de inercia y rotar más rápidamente. Y saltar mucho más alto probablemente requeriría desarrollar más masa muscular, lo que ralentizaría las rotaciones.

King es más optimista. "Una quint potencialmente sería posible", dice ella. Históricamente, agrega, generalmente lleva unas décadas agregar una rotación adicional a un salto de patinaje artístico en particular, por lo que no deberíamos esperarlos al menos hasta la década de 2030. Para pasar de cuádruples a quíntuples, los patinadores tendrían que saltar un poco más alto, obtener un poco más de impulso angular y disminuir el momento de inercia. "Se trata de ver cuánto podrían cambiar esos números de manera realista", dice ella.

El aumento de la velocidad de rotación en el aire sería una parte necesaria del aterrizaje de saltos quíntuples. En un experimento, el laboratorio de Richards mostró cómo podría ser posible. Los investigadores dieron a los patinadores pesas de mano pequeñas; Cuando los patinadores trajeron sus brazos, el aumento de peso significó que hubo un cambio mayor en el momento de inercia, lo que dio un impulso a su velocidad de rotación. (En una silla de oficina, si comienza con libros u otros pesos en sus manos, acelerará aún más cuando tire de los brazos).

De hecho, los patinadores rotaron más rápidamente con los pesos en sus manos, aunque los investigadores descubrieron que también compensaron el cambio rápidamente. Después del primer salto, levantaron menos los brazos para mantener la misma velocidad de rotación que tenían sin las pesas. Aún así, si un patinador quisiera hacer un salto quíntuple, los pesos de las manos podrían ayudarlo a obtener la velocidad de rotación necesaria para completar todos esos giros.

Para los patinadores olímpicos, sin embargo, solo hay un pequeño problema. "Creo que también es trampa", dice Richards.

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