Người trượt băng xoay nhanh hơn khi thu tay vào vì mô men động lượng được bảo toàn: L = I·ω không đổi, nên khi mô men quán tính I giảm (khối lượng dồn về gần trục), tốc độ quay ω phải tăng. Dang tay ra thì ngược lại, xoay chậm đi. Vận động viên trượt băng nghệ thuật dùng đúng nguyên lý này để đạt tốc độ quay hàng trăm vòng mỗi phút, rồi dang tay để "phanh" lại khi kết thúc.
Bảo toàn mô men động lượng
Mô men động lượng của một vật đang quay là L = I·ω. Định luật bảo toàn mô men động lượng nói: nếu không có mô men lực nào từ bên ngoài tác dụng lên vật, L không đổi.
Trên sân băng, người trượt đứng trên lưỡi giày có ma sát rất nhỏ với mặt băng, sức cản không khí cũng nhỏ khi xoay tại chỗ. Vì vậy, trong vài giây xoay, mô men động lượng gần như được giữ nguyên. Người trượt không thể tự tăng L, nhưng có thể thay đổi I bằng tư thế cơ thể.
| Tư thế | Mô men quán tính | Tốc độ quay |
|---|---|---|
| Hai tay dang ngang, một chân duỗi ra | Lớn | Chậm |
| Tay thu vào ngang ngực | Nhỏ hơn | Nhanh hơn |
| Tay ép sát người hoặc giơ thẳng lên đầu, chân khép | Nhỏ nhất | Nhanh nhất |
Ví dụ ước lượng: nếu khi dang tay, mô men quán tính của người trượt gấp ba lần lúc ép tay sát người, thì tốc độ quay khi ép tay sẽ gấp ba. Bắt đầu xoay 2 vòng mỗi giây với tay dang, ép tay vào có thể lên khoảng 6 vòng mỗi giây.
Nhanh tới mức nào
Theo Sách Kỷ lục Guinness, vòng xoay nhanh nhất trên giày trượt băng do Natalia Kanounnikova (Nga) thực hiện năm 2006 tại New York, với tốc độ 308 vòng mỗi phút — hơn 5 vòng mỗi giây. Ở tốc độ đó, hình ảnh người trượt nhoè đi trước mắt khán giả.
Các vận động viên trượt băng nghệ thuật thi đấu ở trình độ cao cũng thường quay với tốc độ vài vòng mỗi giây trong các động tác xoay kiểu "cây kim" (người đứng thẳng, tay giơ cao), và có những bước nhảy quay bốn vòng rưỡi trên không trong chưa đầy một giây bay.
Năng lượng từ đâu ra
Có một điều thú vị: khi người trượt thu tay vào, mô men động lượng giữ nguyên nhưng động năng quay tăng lên. Động năng quay bằng ½·I·ω² = ½·L·ω. L không đổi, ω tăng ba lần thì động năng tăng ba lần.
Năng lượng thêm vào đến từ cơ bắp của chính người trượt. Khi đang quay, hai cánh tay "muốn" văng ra xa (nhìn từ hệ quay của người trượt, đó là lực ly tâm). Muốn kéo tay vào, cơ bắp phải làm việc chống lại xu hướng ấy. Công của cơ bắp chuyển thành động năng quay. Người trượt sẽ cảm thấy rõ: ở tốc độ cao, kéo tay vào khá tốn sức.
Bước nhảy quay trên không
Trong các bước nhảy như Axel, Lutz, Salchow, người trượt tạo ra mô men động lượng khi còn ở trên băng — nhờ lực đạp của lưỡi giày và vung tay, vung chân. Khi đã rời mặt băng, không còn gì để đẩy vào, mô men động lượng trên không là cố định.
Vì vậy, toàn bộ nghệ thuật của bước nhảy nhiều vòng là:
- Tạo đủ mô men động lượng lúc giậm nhảy, nhưng không quá nhiều làm mất thăng bằng.
- Thu người thật gọn ngay khi rời băng — tay ôm sát ngực, chân bắt chéo — để giảm mô men quán tính tối đa, quay nhanh nhất.
- Mở tay chân ra ngay trước khi tiếp băng để tăng mô men quán tính, chậm vòng quay lại, tiếp băng vững bằng một chân.
Thời gian bay của một bước nhảy thường chỉ khoảng 0,6–0,7 giây. Các nghiên cứu cơ sinh học về trượt băng cho thấy khác biệt giữa người nhảy được ba vòng và bốn vòng thường nằm ở việc thu người gọn và nhanh hơn, hơn là ở việc bay cao hơn.
Cùng nguyên lý, những môn khác
- Nhảy cầu: vận động viên ôm gối (tư thế "bó gối") để lộn nhiều vòng, rồi duỗi thẳng người trước khi chạm nước để vào nước thẳng, ít tung bọt.
- Thể dục dụng cụ: lộn santo bó gối nhanh hơn lộn santo duỗi thẳng người.
- Múa ba lê: động tác xoay pirouette dùng cùng nguyên lý, chân trụ đứng trên mũi chân để giảm ma sát.
- Vận động viên nhảy dù tự do điều khiển tốc độ xoay bằng cách co duỗi tay chân trong không trung.
- Mèo khi rơi cũng dùng các mẹo thay đổi mô men quán tính để xoay người, một bài riêng trong mục này.
Tự làm thí nghiệm với ghế xoay
Không cần sân băng, chỉ cần một chiếc ghế văn phòng xoay được êm và hai chai nước đầy (hoặc hai quả tạ tay nhỏ):
- Ngồi lên ghế, nhấc chân khỏi mặt đất, hai tay cầm hai chai nước dang rộng.
- Nhờ người khác xoay ghế nhẹ nhàng rồi buông ra.
- Kéo hai chai nước sát vào ngực: ghế quay nhanh lên rõ rệt.
- Dang tay ra lại: ghế chậm đi.
An toàn: xoay chậm thôi, giữ chặt chai, làm ở chỗ rộng không có đồ vật sắc cạnh xung quanh, và dừng lại nếu thấy chóng mặt. Đây là thí nghiệm có trong rất nhiều lớp vật lý ở trường đại học.
Góc nhìn hôm nay: xem trượt băng bằng con mắt vật lý
Lần tới khi xem trượt băng nghệ thuật ở Thế vận hội mùa đông hay giải vô địch thế giới, hãy để ý:
- Lúc bắt đầu xoay, tay và chân duỗi rộng, quay chậm.
- Từng bước thu tay chân lại, vòng quay nhanh dần.
- Lúc kết thúc, tay dang rộng ra — đó là "phanh".
- Trong bước nhảy, người trượt thu gọn lại gần như ngay lập tức khi rời băng.
Liên đoàn Trượt băng Quốc tế (ISU) có trang thông tin về các loại bước nhảy, động tác xoay và cách chấm điểm; mục trượt băng trên wiki này cũng có bài riêng về chấm điểm trượt băng nghệ thuật.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao người trượt băng thu tay lại thì quay nhanh hơn?
Vì mô men động lượng bằng mô men quán tính nhân tốc độ quay được bảo toàn khi không có mô men lực bên ngoài. Thu tay vào làm giảm mô men quán tính, nên tốc độ quay phải tăng lên để tích của chúng không đổi.
Mô men động lượng là gì?
Mô men động lượng là đại lượng đặc trưng cho chuyển động quay, bằng mô men quán tính nhân tốc độ góc, L = I·ω. Nó được bảo toàn khi vật không chịu mô men lực từ bên ngoài, giống như động lượng trong chuyển động thẳng.
Kỷ lục xoay nhanh nhất trên giày trượt băng là bao nhiêu?
Theo Sách Kỷ lục Guinness, kỷ lục là 308 vòng mỗi phút, do Natalia Kanounnikova người Nga lập năm 2006 tại New York, tức hơn 5 vòng mỗi giây.
Khi thu tay vào, năng lượng quay tăng lên lấy từ đâu?
Từ công của cơ bắp. Khi đang quay, tay có xu hướng văng ra ngoài, muốn kéo tay vào cơ phải làm việc chống lại xu hướng đó. Công ấy chuyển thành động năng quay, nên động năng tăng dù mô men động lượng không đổi.
Có thể thử nguyên lý này ở nhà không?
Có. Ngồi trên ghế xoay êm, nhấc chân lên, hai tay cầm hai chai nước dang rộng, nhờ người xoay nhẹ rồi kéo chai sát vào ngực. Ghế sẽ quay nhanh lên rõ rệt. Nên xoay chậm và dừng nếu chóng mặt.