Любишь кататься, люби и физику учить

Почему, катаясь на коньках, вы едете по воде, какие физические законы должен понимать каждый фигурист и как наука помогает залить идеальный каток, разбирался Indicator.Ru.

Физический процесс катания на коньках довольно прост: к обуви прикреплено острое лезвие, и, когда человек, например, едет на одной ноге и весь его вес переносится в одну точку, давление на очень маленькую поверхность становится максимальным, поэтому человек на коньках не падает и не поскальзывается. Когда лезвия затупляются, скольжение становится только лучше, хотя многие считают, что острое лезвие лучше прорезает лед.

Есть и более тонкие нюансы: ключевым объяснением механизма зимнего развлечения может стать фазовая диаграмма воды, отображающая равновесное состояние жидкой, твердой и газообразной фаз воды при определенных характеристиках температуры и давления. При анализе диаграммы становится понятно, что при нормальном атмосферном давлении вода превращается в лед при температуре ноль градусов по Цельсию. То же самое наблюдается и при обратном фазовом переходе: если на кусок льда, температура которого практически равна нулю, применить незначительное давление, лед будет таять. Когда фигурист, хоккеист или обычный любитель катков скользит по льду, его тело оказывает давление на тонкие лезвия коньков, в результате чего образовывается небольшая водяная пленка — тонкий слой воды на льду. Другими словами, катание на коньках происходит не столько по льду, сколько по воде. Когда человек прекращает оказывать давление на участок льда, водяная пленка практически мгновенно замерзает из-за низкой температуры окружающей среды или охлаждающих установок, которые необходимы для работы крытых катков.

Эта гипотеза противопоставляется теории, гласящей, что водяная пленка на льду образуется не из-за давления человека, а из-за того, что лезвие выделяет тепло. Тем не менее это не доказывает, почему коньки могут скользить после нахождения в состоянии покоя, поэтому физики придерживаются первой версии.

Ведущие научно-популярной программы National Geographic проверяли эту теорию, обмотав глыбу льда тонкой проволокой, похожей на ту, которую вставляют в нож для резки сыра, а к концу проволоки прикрепили груз. Кусок льда зафиксировали между двумя поверхностями так, чтобы гиря свисала под куском льда и тем самым проволока оказывала бы на него давление. Как и предполагалось, проволока начала разрезать лед. Однако разделить кусок льда у ведущих не вышло, поскольку, когда металлическая нить погружалась все глубже в толщу льда, вода, образовавшаяся над ней, замерзала. В результате проволока полностью прорезала пласт льда и под действием силы тяжести выпала из нижней его грани, а в ледяном кирпиче остался только след ее физического воздействия — своеобразная матовая мембрана.

Законы физики не только объясняют, как человек катается на коньках, они также помогают в создании идеального катка. Никто не любит кататься на льду, испещренном кратерами и выбоинами. Канадские специалисты считают, что ключевым фактором для создания гладкой поверхности льда является температура: она должна составлять от минус семи до двадцати градусов Цельсия. Когда температура опускается ниже –20°C, залить качественный каток невозможно, лед начинает трескаться. Еще один секрет для создания идеально ровного катка также объясняется с точки зрения физики. Если начать заливать его с краев, то лед застынет более равномерно. Кроме того, важно разливать воду тонкими слоями, которые застывают быстрее.

Понимание физических процессов позволяет также улучшить собственные навыки катания на коньках. Например, фигуристы не падают, так как угловой момент, он же момент импульса, характеризующий количество вращательного движения, помогает стабилизировать движущееся тело. Если спортсмен раскидывает руки в стороны, то угловая скорость его вращения тут же уменьшается, и, наоборот, чем ближе он прижимает руки к телу, тем выше скорость вращения, и, как следствие, момент импульса сохраняется. Движение также зависит от крутящего момента — вращательного действия силы на твердое тело. Например, вращение во время одного из прыжков в фигурном катании — двойного акселя — происходит благодаря крутящему моменту, создаваемому вращением конька, взлетающего с поверхности льда.

Опускаясь на лед, фигурист не притягивает руки и ноги к телу, как было упомянуто раньше, поскольку это увеличивает скорость вращения, что не способствует удачному приземлению.