Quale sport meglio del pattinaggio artistico mette a dura prova il nostro fisico, oltre che la fisica stessa? Quando vediamo i pattinatori eseguire salti e trottole, spesso ci concentriamo sulla loro abilità, senza accorgerci delle varie leggi fisiche alla base di ogni esercizio.
La Fisica del Salto nel Pattinaggio
Un buon pattinatore, durante l'esecuzione di un salto, deve tenere conto di una miriade di fattori: un perfetto equilibrio tra velocità, numero di rotazioni in aria, posizione in fase di volo e la forza impressa contro il pavimento al momento dello stacco.
Le evoluzioni sul ghiaccio dei campioni di pattinaggio sono governate da numerose leggi della fisica. Per diventare campioni di pattinaggio su ghiaccio ci vuole... una fisica bestiale.
Ma fino a che altezza riesce a saltare un pattinatore? La dinamica del salto dipende però da un delicato compromesso: salti molto alti richiedono una grande potenza e quindi una grande massa muscolare, cioè un maggior peso dell'atleta. Una volta che ha spiccato il volo, l'atleta non può più incidere sul suo momento angolare.
Un buon atterraggio è la parte più difficile dell'esercizio. Secondo alcune stime, un pattinatore, al termine di un salto, impatta sul ghiaccio con una forza tra 5 e 8 volte il proprio peso. Un atleta di 70 kg ne scarica a terra fino a 480.
Il Momento Angolare: La Chiave della Rotazione
Cos'hanno in comune una piroetta, un tuffo con salto mortale e una gara di ciclismo? Nonostante il nome un po' astruso, il momento angolare non deve spaventarci: semplicemente, quantifica la rotazione di un corpo.
Prendiamo una trottola: quando gira su se stessa ma non si muove dalla piastrella dove l'abbiamo lanciata, non possiamo dire che sta ferma; non avanza, ma ha una forte componente rotatoria. Ci sono due elementi fondamentali che caratterizzano il momento angolare: la velocità di rotazione (quanto in fretta la trottola gira) e la distanza dal perno di rotazione (per una trottola, dipende da quanto è larga, perché ciò che conta è la distanza tra il bordo e il perno della trottola stessa).
Tutto questo si può riassumere più semplicemente in: ho un corpo che ruota: quanto è stato difficile metterlo in rotazione (caratteristica legata a massa e distanza dal perno)? E quanto velocemente sta ruotando ora?
La Conservazione del Momento Angolare
Detto così, potrebbe sembrare un modo inutilmente convoluto per descrivere una cosa intuitiva: è difficile far girare velocemente dei corpi grossi e pesanti. La conservazione del momento angolare significa che, anche se il corpo cambia configurazione mentre ruota, il suo momento angolare non cambia. Conseguenza: se la distanza dal perno aumenta, la velocità di rotazione deve diminuire, così che il momento angolare complessivo rimanga invariato.
Cosa significa, in pratica? Che per cambiare la velocità di rotazione di qualcosa, non dobbiamo per forza accelerarlo o dargli dei colpi, ma basta restringerlo o allargarlo. Gli atleti sfruttano la conservazione del momento angolare per variare la velocità delle piroette.
Esempi Pratici: Pattinaggio e Tuffi
Nel pattinaggio artistico si vede particolarmente bene: la pattinatrice inizia a roteare tenendo le braccia larghe, poi le stringe al corpo e inizia a roteare sempre più velocemente. Com'è possibile? Non sta accelerando spingendo sui pattini, ma modifica la distanza tra le braccia e il fulcro della rotazione. Se diminuisce la distanza, per conservare il momento angolare l'unica opzione è aumentare la velocità di rotazione.
Nel tuffo con salto mortale si applica lo stesso principio, ruotando in avanti anziché attorno al proprio asse.
La Fisica nel Ciclismo: Inerzia ed Effetto Giroscopio
Arriviamo infine al ciclismo. Qui il discorso sembra prendere strade completamente diverse: d’altronde mica facciamo piroette mentre andiamo in bici, o no (escludiamo il freestyle per un momento, considerando solo il classico ciclismo su strada)? La fisica della bici deve tenere conto di vari fattori.
Poi c'è una componente di inerzia, ossia la tendenza di un corpo a non alterare il proprio stato di moto a meno di perturbazioni esterne. Ossia: finché la bici va, lasciala andare, soprattutto se ha un manubrio piuttosto largo che equilibra in maniera simile alle aste degli equilibristi.
L'Effetto Giroscopio delle Ruote
Infine, c'è una caratteristica legata al momento angolare: l'effetto giroscopio. Questo effetto dice che, finché un corpo è in rotazione, tenderà a non variare la posizione del proprio asse, con una "forza" proporzionale alla quantità di moto. Dato che le ruote della bicicletta hanno come asse i mozzi, che sono paralleli al terreno, tendono a ruotare nella direzione desiderata; e più andiamo veloci, più sarà difficile piegare la bicicletta perché l'effetto giroscopio tenderà a mantenere le ruote perpendicolari al terreno.
Questo effetto si nota ancora di più con le ruote grandi, che quindi rendono più stabili la passeggiata in bicicletta. Questo spiega anche il design dei vecchi velocipedi: dato che andavano lenti, montavano ruote grosse (e scomode).