Als jij of ik zo hoog mogelijk in de lucht springen, kunnen we ongeveer een halve seconde van de grond blijven. Michael Jordan kon bijna een seconde in de lucht blijven. Hoewel er veel evenementen zijn op de Olympische Winterspelen waarbij atleten prestaties van atletisch vermogen en kracht leveren terwijl ze hoog in de lucht zijn, vervaagt geen enkele de grens tussen springen en vliegen zo veel als de skischans.

Ik leer studenten over de fysica van sport. De skischans is misschien wel een van de meest intrigerende evenementen in de Winterspelen om natuurkunde in actie te laten zien. De winnaar is de atleet die het verst reist en die vliegt en landt met de beste stijl. Door hun ski's en lichaam te veranderen in wat in wezen een vleugel is, kunnen skispringers de zwaartekracht bestrijden en vijf tot zeven seconden in de lucht blijven terwijl ze over de lengte van een voetbalveld door de lucht reizen. Dus hoe doen ze dit?

Vliegen

Bij de skischans spelen drie belangrijke concepten uit de natuurkunde:zwaartekracht, heffen en slepen.

Zwaartekracht trekt elk object tijdens de vlucht naar de grond. Zwaartekracht werkt in gelijke mate op alle objecten en er is niets dat atleten kunnen doen om het effect ervan te verminderen. Maar de atleten hebben ook interactie met de lucht terwijl ze bewegen. Het is deze interactie die lift kan produceren, wat een opwaartse kracht is die wordt geproduceerd door lucht die op een object duwt. Als de kracht die wordt geproduceerd door de lift ongeveer in evenwicht is met de zwaartekracht, kan een object glijden of vliegen.

Om lift te produceren, moet een object bewegen. Terwijl het object door de lucht beweegt, botst het oppervlak met luchtdeeltjes en duwt deze deeltjes uit het pad van het object. Terwijl luchtdeeltjes naar beneden worden geduwd, wordt het object omhoog geduwd volgens de derde bewegingswet van Newton, die zegt dat er voor elke actie een gelijke en tegengestelde reactie is. Luchtdeeltjes die een object naar boven duwen, creëren een lift. Het verhogen van de snelheid en het vergroten van het oppervlak zal de hoeveelheid lift vergroten. De invalshoek - de hoek van het object ten opzichte van de richting van de luchtstroom - kan ook de lift beïnvloeden. Te steil en het object zal blijven hangen, te plat en het zal geen luchtdeeltjes naar beneden duwen.

Hoewel dit allemaal misschien ingewikkeld lijkt, is het perfect illustreren van deze principes als je je hand uit een autoraam steekt. Als je je hand perfect plat houdt, blijft hij min of meer op zijn plaats. Als u uw hand echter kantelt zodat de onderkant in de richting van de wind wijst, wordt uw hand omhoog geduwd als de luchtdeeltjes erop botsen. Dat is lift.

Dezelfde botsingen tussen een object en lucht die voor lift zorgen, produceren ook weerstand. Drag weerstaat de voorwaartse beweging van elk object en vertraagt ​​het. Naarmate de snelheid afneemt, doet de lift dat ook, waardoor de lengte van een vlucht wordt beperkt.

Voor skispringers is het doel om een ​​zorgvuldige lichaamspositionering te gebruiken om de lift te maximaliseren en de weerstand zo veel mogelijk te verminderen.

Vliegen op ski's

Skiërs beginnen hoog op een helling en skiën vervolgens naar beneden om snelheid te genereren. Ze minimaliseren de weerstand door te hurken en voorzichtig te sturen om wrijving tussen de ski's en de helling te verminderen. Tegen de tijd dat ze het einde bereiken, kunnen ze 60 mijl per uur (96 km/u) gaan.

De oprit eindigt bij een startpunt dat, als je goed kijkt, in feite in een kleine neerwaartse hoek van 10 graden staat. Net voordat de atleten het einde van de helling bereiken, springen ze. De ski-landingshelling is ontworpen om het pad na te bootsen dat een springer zal nemen, zodat ze nooit meer dan 10 tot 15 voet boven de grond zijn.

Zodra de atleten in de lucht zijn, begint de leuke natuurkunde.

De springers doen er alles aan om zoveel mogelijk lift te produceren met een minimale weerstand. Atleten zullen nooit genoeg lift kunnen genereren om de zwaartekracht volledig te overwinnen, maar hoe meer lift ze genereren, hoe langzamer ze zullen vallen en hoe verder ze de heuvel af zullen reizen.

Om dit te doen, richten atleten hun ski's en lichaam bijna parallel aan de grond en plaatsen hun ski's in een V-vorm net buiten de vorm van het lichaam. Deze positie vergroot het oppervlak dat lift genereert en plaatst ze in de ideale aanvalshoek die ook de lift zal maximaliseren.

Als weerstand de snelheid van de skiër vermindert, neemt de lift af en blijft de zwaartekracht aan de springer trekken. Atleten zullen sneller en sneller beginnen te vallen totdat ze landen.

De regels volgen de natuurkunde

Met zoveel natuurkunde in het spel, zijn er veel manieren waarop wind, uitrustingskeuzes en zelfs het eigen lichaam van de atleten van invloed kunnen zijn op hoe ver een sprong kan gaan. Dus om alles eerlijk en veilig te houden, zijn er veel regels.

Terwijl u naar de evenementen kijkt, ziet u misschien dat officials het startpunt de helling op of af verplaatsen. Deze aanpassing wordt gemaakt op basis van de windsnelheid, omdat snellere tegenwind meer lift zal produceren en resulteert in langere sprongen die voorbij de veilige landingszone kunnen gaan.

De lengte van de ski is ook gereguleerd en gekoppeld aan de lengte en het gewicht van een skiër. Ski's mogen maximaal 145% van de lengte van de skiër zijn en skiërs met een body mass index van minder dan 21 moeten kortere ski's hebben. Lange ski's zijn niet altijd de beste, want hoe zwaarder de ski, hoe meer lift je moet produceren om in de lucht te blijven. Ten slotte moeten skiërs nauwsluitende pakken dragen om ervoor te zorgen dat atleten hun kleding niet als extra bron van lift gebruiken.

Terwijl je je afstemt op de Olympische Spelen om je te verbazen over de fysieke kracht van de atleten, neem dan even de tijd om ook na te denken over hun beheersing van de concepten van de natuurkunde.