Tutta la scienza delle Olimpiadi invernali

Una piroetta sul ghiaccio, un perfetto salto con gli sci, l'effetto del “sasso” del curling: il loro segreto è tutto in forze contrapposte e formule matematiche. Gli atleti impegnati nei Giochi olimpici di Sochi sanno di non aver scelta: per una prestazione degna dell'oro, dovranno piegare la fisica a proprio vantaggio. Ecco la scienza e la fisica delle Olimpiadi di Sochi.

Dietro a una piroetta e a una prova da medaglia d'oro, ci sono il talento e l'istinto del campione. Ma anche tanta scienza. Che si vede nei dettagli più decisivi di ogni prova di pattinaggio artistico: i salti. Hanno nomi strani, come Rittenberger, Lutz, Axel – per citarne tre che si chiamano come chi li ha inventati – e possono essere doppi, o tripli, a seconda del numero di rotazioni. Il massimo è riuscire in un salto quadruplo e atterrare in piedi: qualcosa che pochissimi sono in grado di fare.

Secondo i calcoli di Mark Denny, fisico autore di “Gliding for Gold”, è tutta questione di matematica. C’è infatti un rapporto fisso tra la velocità di rotazione e l’altezza del salto da eseguire. Se si è in grado di girare alla velocità massima teorica – pari a 5 Hertz, ovvero cinque rotazioni al secondo –, per un salto quadruplo basta staccarsi da terra di 75 centimetri. Per un triplo ne basterebbero 45, di centimetri. Chi è in grado di girare con una frequenza di 4 Hertz, è costretto a saltare più in alto per fare un quadruplo: ben 1,22 metri. A quella velocità di rotazione, per fare un triplo serve invece un salto alto 67 centimetri.

Il ghiaccio sembra tutto uguale, ma quando ci sono di mezzo lo sport e una medaglia d’oro, anche un grado può fare la differenza. L'ingrediente fondamentale dell'hockey è l’attrito, la forza che resiste all’avanzamento del “puck” (il disco di gomma) sopra l’ovale di ghiaccio. Una forza che varia in misura della temperatura: più il ghiaccio è freddo e minore è l'attrito. Così, perché il disco fili a dovere, la pista da hockey ideale deve avere una temperatura di -4° C. Un grado più fredda del ghiaccio usato per il pattinaggio artistico, dove conta invece avere più presa sul terreno.

Il processo per creare una pista perfetta è supertecnologico e richiede ben 12 passaggi diversi. Servono tra 45 e 57mila litri d'acqua (circa due milioni di cubetti), speciali processi chimici per evitare sbalzi di temperatura, vernici speciali per fare le righe. E poi bisogna calcolare un mucchio di fattori “esterni”: la dimensione dell’impianto, il respiro e il calore umano di migliaia di spettatori sugli spalti. Un indizio di quanto la fisica – oltre che per gli atleti – sia determinante anche per chi organizza le gare.

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La ricerca del minimo attrito si spinge ancora oltre sul pattinaggio di velocità. E si sposta dal ghiaccio ai pattini, veri bolidi ai piedi degli atleti. Lo spessore delle lame è quasi nullo: un millimetro, contro i quattro di Carolina Kostner e colleghi. La lunghezza è ben superiore al piede, fino a 45-46 centimetri. Non solo: per assecondare la pista, le lame sono leggermente curve, entrambe dallo stesso lato, secondo un raggio di 22 metri.

Nello sprint iniziale, gli atleti si mettono in moto con frenetici movimenti dei piedi verso l'esterno. Il loro movimento non è casuale, ma dettato dalle leggi di Newton. Finché non si prende velocità, si può scivolare in avanti solo andando a zigzag e l’ideale è disegnare sul ghiaccio un angolo di 35 gradi, quello che permette di avanzare sfruttando il 77 per cento della potenza espressa e senza disperdere troppe energie.

Superato il momento dell'accelerazione, l'atleta deve mantenere la velocità e opporsi alla resistenza dell'aria: lo fa mettendosi in posizione bassa e aerodinamica, procedendo con pattinate ampie e lente. Sembra un andamento compassato, ma la verità è che i pattinatori filano velocissimi, con velocità spesso superiori ai 50 km/h.

Gran parte di quanto detto per la velocità vale anche per la sua versione sprint, che si disputa su scontri diretti tra quattro atleti e su una pista molto più ridotta: soli 110 metri di circonferenza. Il raggio delle curve è di 8 metri e identica è anche la curvatura delle lame dei pattini, entrambe concave sul lato sinistro, visto che si gira in senso anti-orario.

Oltre all'attrito, nello short track entra in gioco la forza centrifuga: mentre girano a grande velocità, i pattinatori sono spinti verso l'esterno come la pallina in una roulette. Se non contrastassero questa spinta, finirebbero per perdere l'equilibrio. Invece riescono a restare in piedi, senza bisogno di frenare. Il segreto è inclinarsi verso l'interno della curva e non a caso. C'è infatti un rapporto preciso tra la velocità di pattinata e l'inclinazione da assumere in curva: per punte di 60 km/h, è necessario piegare fino a formare un angolo di 30 gradi con il ghiaccio.

Non sempre il miracolo fisico riesce, soprattutto per colpa dei contatti, frequenti, che aggiungono una forza esterna e imprevista al perfetto equilibrio degli atleti e causano spesso delle gare a eliminazione. Il caso più celebre risale a Salt Lake City 2002, quando un'incredibile carambola umana portò l'australiano Steven Bradbury a un inatteso oro olimpico.

Lo sport rivelazione dei Giochi di Torino 2006 è anche un piccolo mistero per la fisica. Si disputa con blocchi di granito di circa 18 chili, levigati e dotati di maniglia, da far scivolare verso un bersaglio lontano 38 metri. Il manico serve a dare l'effetto al “sasso”: se questo gira in senso orario, la curva sarà verso destra; se la rotazione è antioraria, l'effetto sarà verso sinistra. Un effetto che, fino a poco tempo fa, era considerato inspiegabile.

A fare luce su questo mistero, di recente, sono stati i ricercatori dell'Università di Uppsala, in Svezia. Secondo i loro studi, il segreto del curling è tutto nei microscopici rilievi sulla superficie delle “stone”, capaci di causare dei piccoli graffi sulla neve e di creare un diverso tipo di attrito e una forza laterale sufficiente a far deviare la “stone”.

A questo contribuisce anche la speciale preparazione del ghiaccio, che per il curling è sempre in piano, ma mai del tutto levigato. Sopra la superficie liscia - tenuta a -5° C – vengono sparse delle goccioline d'acqua, che ghiacciano e formano dei piccoli grumi.

Più semplice spiegare perché davanti a ogni stone si affannino due membri della squadra dotati di ramazza, che “spazzano” il ghiaccio in modo frenetico ed energico. Serve a scaldare il ghiaccio, ridurre l'attrito e quindi aumentare la distanza percorsa dalla stone.

Circa 1.500 metri di gara, per 150 metri di dislivello e 19 curve mozzafiato: dal bob e dalla pista dello Sliding Center di Rzhanaya Polyana ci si aspetta un grande spettacolo. Ancora una volta l'aspetto fondamentale è l'aerodinamica, ma nella scorrevolezza del mezzo conta molto anche il peso degli atleti. Al contrario di quello che ci si potrebbe immaginare, il peso aiuta ad avanzare, perché si aggiunge alla forza di gravità e spinge il bob verso il basso e il traguardo. L'aspetto è così decisivo che ci sono regole precise. Per il duo, il bob deve pesare almeno 170 chili da vuoto e non superare i 390 da pieno.

Nel corso della prova, a gravare sugli atleti c'è poi la forza centrifuga, che spinge il bob verso l'alto. Per evitare cadute rovinose, si deve aumentare l'attrito e usare i freni, in coincidenza di ogni curva. Farlo senza esagerare, per non perdere tempo, non è facile, specie perché la pressione sul corpo degli atleti arriva a 4 o addirittura 5 G: abbastanza per farli sentire ciascuno pesante 900 chili.

Anche la difficoltà di una discesa libera o di un super G che valgano l'oro ha molto a che fare con la fisica. Ogni sciatore è infatti al centro di tre principali forze: gravità, resistenza dell'aria e attrito. La gravità insiste sul baricentro dell'atleta e lo spinge verso il basso, in direzione quindi favorevole. La resistenza dell'aria opera più o meno nello stesso punto, ma spinge l'atleta all’indietro. L'attrito è legato invece alla presa delle lamine degli sci sulla neve e tende quindi a frenare l'atleta.

Proprio per limitare l'attrito, la preparazione degli sci è fondamentale. Tutti i concorrenti applicano sotto le lamine uno strato di sciolina, una sostanza composta da resine e idrocarburi trattati con fluoro o altri minerali. I tipi sono molti e diversi, ma l'obiettivo è sempre quello di creare un effetto di “lubrificazione idrodinamica”: la sciolina si frappone tra lo sci e la neve, riduce in modo decisivo l'attrito e aiuta così lo scivolamento. Una prova da medaglia non può prescindere dall'uso della giusta miscela, da scegliere in base alla temperatura e alla consistenza della neve.

Anche lo sci di fondo ha le sue scioline, ma non solo per aumentare la scorrevolezza. In alcuni frangenti, in salita e in piano, è decisivo anche aver presa sulla neve e così le cose si complicano. Così, su ogni sci vanno messi due tipi diversi di sciolina: una “di tenuta”, per fare attrito, e la paraffina per scivolare.

La prima viene applicata nella zona di spinta, dal tallone fino a 40-50 centimetri in avanti.

La seconda dipende dal tipo di stile: in tecnica classica, con gli sci paralleli, la paraffina si mette solo in punta e in coda. In tecnica libera, si mette lungo tutto lo sci.

Anche qui, le condizioni della neve rappresentano una variabile decisiva. Quelle più odiate dagli atleti sono le nevi troppo calde o bagnate. Avere una sottile patina d'acqua sotto gli sci aiuta lo scivolamento, ma uno strato troppo spesso crea l'effetto contrario e aumenta attrito e fatica. Ecco perché, quando piove, per gli sciatori è un po' come finire impantanati.

Come sempre, sulla pista del bob si disputeranno anche le gare di slittino e quelle di skeleton. Anche per questi sport, l'aerodinamica è tutto e ha ispirato tute supertecnologiche e scorrevoli, caschi simili a quelle dei motociclisti, slittini dal design quasi spaziale. Tutto serve a ridurre la resistenza con l'aria e strappare quei centesimi di secondo fondamentali per un oro.

La ricerca della velocità ha però dei rischi. Anche a Sochi, come a Vancouver, il dislivello tra partenza e arrivo sarà molto elevato – 150 metri – e questo porterà a velocità elevatissime. Un problema di sicurezza, visto che gli atleti sono protetti solo da un casco. La speranza è che non si ripeta un tragico incidente come quello occorso proprio quattro anni fa allo slittinista georgiano Nodar Kumaritashvili, che perse la vita proprio durante la gara olimpica di Vancouver.

Ecco un altro sport dove la fisica è tutto. Per il risultato, ma anche perché una minima imperfezione nella tecnica di salto significa mettere la propria incolumità seriamente a rischio. Durante la fase di lancio, un saltatore è soggetto alle stesse forze che agiscono su un discesista: gravità, attrito, resistenza dell'aria. Poi c'è il salto vero e proprio: gli atleti ci arrivano con gli sci in posizione quasi orizzontale, rivolti 11 gradi verso il basso, poi danno uno strappo per ribaltare l'inclinazione e portarli a un angolo – questo positivo e verso l'alto – tra i 30 e i 40 gradi.

Dal decollo in poi, durante la fase di volo, entra in gioco una quarta forza: la portanza, o forza L (in inglese è “lift force”). È quella che tiene in aria gli atleti e che ogni saltatore cerca di assecondare aprendo più possibile la superficie del proprio corpo. Serve anche per opporsi alla forza di gravità, ma in questo c'è un altro elemento cruciale: il peso dell'atleta. Non è un caso che i campioni di questo sport siano spesso giovanissimi e molto magri, a volte fino all'anoressia.

Dietro a una piroetta e a una prova da medaglia d'oro, ci sono il talento e l'istinto del campione. Ma anche tanta scienza. Che si vede nei dettagli più decisivi di ogni prova di pattinaggio artistico: i salti. Hanno nomi strani, come Rittenberger, Lutz, Axel – per citarne tre che si chiamano come chi li ha inventati – e possono essere doppi, o tripli, a seconda del numero di rotazioni. Il massimo è riuscire in un salto quadruplo e atterrare in piedi: qualcosa che pochissimi sono in grado di fare.

Secondo i calcoli di Mark Denny, fisico autore di “Gliding for Gold”, è tutta questione di matematica. C’è infatti un rapporto fisso tra la velocità di rotazione e l’altezza del salto da eseguire. Se si è in grado di girare alla velocità massima teorica – pari a 5 Hertz, ovvero cinque rotazioni al secondo –, per un salto quadruplo basta staccarsi da terra di 75 centimetri. Per un triplo ne basterebbero 45, di centimetri. Chi è in grado di girare con una frequenza di 4 Hertz, è costretto a saltare più in alto per fare un quadruplo: ben 1,22 metri. A quella velocità di rotazione, per fare un triplo serve invece un salto alto 67 centimetri.