攀巖保護(hù)技術(shù)的力學(xué)分析及教學(xué)建議

談 強(qiáng) 李 榮

攀巖保護(hù)技術(shù)的力學(xué)分析及教學(xué)建議

談 強(qiáng)1李 榮2

（1.蘇州大學(xué)體育學(xué)院，江蘇 蘇州 215008；2.蘇州大學(xué)東吳學(xué)院，江蘇 蘇州 215008）

文章對攀巖保護(hù)系統(tǒng)的各組成部分進(jìn)行力學(xué)分析，辨明構(gòu)成有效保護(hù)力各因素之間的相互關(guān)系，為攀巖保護(hù)實(shí)操教學(xué)提供理論依據(jù)，結(jié)合攀巖教學(xué)實(shí)踐中常見的安全問題提供教學(xué)建議，以增強(qiáng)攀巖保護(hù)教學(xué)的合理性和有效性。

攀巖；保護(hù)；力學(xué)分析；教學(xué)建議

1 攀巖的保護(hù)方式

圖1 上方保護(hù)示意圖

圖2 形成上方保護(hù)（下降）示意圖

圖3 下方保護(hù)示意圖

圖4 形成下方保護(hù)（下降）示意圖

攀巖的保護(hù)一般分為利用保護(hù)裝置的（速度賽常用的）上方保護(hù)（也稱作頂繩保護(hù)）、（難度賽常用的）下方保護(hù)（也稱為先鋒保護(hù)）、他人保護(hù)和自我保護(hù)（抱石賽常用的）四種［4］。在上方保護(hù)和下方保護(hù)的整個(gè)過程中，形成有效保護(hù)時(shí)有三種受力情況，分別是靜止懸掛、勻速下降、沖墜制動。

本文主要對上方和下方保護(hù)（見圖1、2、3、4）進(jìn)行力學(xué)分析和教學(xué)建議。

2 攀巖保護(hù)技術(shù)的力學(xué)分析及教學(xué)建議

2.1 有效保護(hù)力的本質(zhì)

在整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)中構(gòu)成有效保護(hù)的力，從本質(zhì)上講，就是能使攀爬者不墜落或減小墜落速度的向上拉力，以對抗使攀爬者體重（重力）和加速墜落的沖墜力（見圖5）。重力是地球?qū)θ说囊?，在向上攀爬時(shí)是運(yùn)動阻力，在攀爬者從巖壁上脫落時(shí)，重力使人向下墜落，形成向下的加速度，如果沒有保護(hù)，結(jié)果將是攀爬者加速下墜最后沖擊地面，造成傷害。所以保護(hù)的根本目的就是，保護(hù)者通過保護(hù)系統(tǒng)的操作，產(chǎn)生向上拉力，以對抗脫落后攀爬者所受的重力，阻止攀爬者快速沖擊地面或避免急速制動，從而保證攀爬者的安全［5］。

2.2 巖壁懸掛部分的力學(xué)分析及相應(yīng)教學(xué)建議

2.2.1重力（G）

重力（G）是攀爬者在運(yùn)動中需要克服的最大阻力，也是造成攀巖運(yùn)動損傷事故的主要因素。但對抗和克服重力就恰恰是攀巖運(yùn)動的魅力所在，因此可以說重力造就了攀巖運(yùn)動，也威脅著攀巖運(yùn)動；而且由于重力的存在，才能保證保護(hù)系統(tǒng)中其他保護(hù)力的產(chǎn)生，換言之，保護(hù)系統(tǒng)是人們巧妙利用重力來對抗重力的杰構(gòu)。當(dāng)G和F1成為一對平衡力時(shí)，攀爬者處于靜止懸掛或勻速下降狀態(tài)（見圖6），所以在保護(hù)教學(xué)中一般要求保護(hù)員體重大于等于攀爬者體重，在保護(hù)員體重明顯小于攀爬者時(shí)需要與固定物連接或有第二人進(jìn)行副保護(hù)，利用固定連接產(chǎn)生的拉力或第二人體重共同對抗重力。

2.2.2支持力（N）和向下拉力（F2）

當(dāng)攀爬者脫落主繩受力拉緊時(shí)，主繩由于兩端受力，因此對鎖扣（或快掛）產(chǎn)生了壓力，同時(shí)鎖扣（或快掛）也對主繩產(chǎn)生了反作用力——支持力（N）。支持力的方向基本向上，略偏向于巖壁（見圖7），攀登者體重越大，沖墜制動加速度越大，主繩折返夾角越小，則主繩所承受的拉力越大，鎖扣對繩的支持力（N）越大。

向下拉力（F2）是保護(hù)者施于主繩的拉力，其方向指向保護(hù)者（見圖7）。在保護(hù)的不同階段，保護(hù)者通過拉緊或放松主繩，或者改變自身與鎖扣（或快掛）投影點(diǎn)的距離（改變主繩折返夾角）來控制其大小和方向。

被告方律師看了看雜志社代表和作者，大家都搖了搖頭。作者首先站了起來，其他被告和律師也站起來。作者流下了淚水，以痛悔的眼光看著竹韻：“對不起，竹韻女士，請接受我真慶的道歉和敬意。我愿意接受法律的任何處罰……”

在進(jìn)行保護(hù)教學(xué)時(shí)，教師需要時(shí)刻提醒和關(guān)注保護(hù)者在五步收繩或給繩的動作中始終保持至少有一只手握緊制動端主繩，且保證主繩長度有足夠富余。在學(xué)習(xí)保護(hù)的初期，必須增加副保護(hù)以免因慌亂制動端主繩脫手。保護(hù)員所處位置保持在保護(hù)點(diǎn)、攀爬者投影點(diǎn)連線正后方適當(dāng)距離［6］，使主繩在保護(hù)點(diǎn)的折返角保持在30°左右，保證攀爬者脫落或下降時(shí)不落在保護(hù)員身上，也不能因?yàn)檎疚惶^靠后而使F水增大把保護(hù)員拉向攀爬者下方。

2.2.3摩擦力（f）

護(hù)系統(tǒng)中，主要有兩處產(chǎn)生摩擦力。一處在上方保護(hù)點(diǎn)主繩和鎖扣的接觸面之間，其大小為接觸面所受正壓力和兩者之間的摩擦系數(shù)的乘積，方向與主繩運(yùn)動方向相反（見圖8）；另一處在主繩和保護(hù)器的接觸面之間，其大小計(jì)算方法和力的方向與第一處相同。在摩擦系數(shù)不變時(shí)，正壓力的大小是決定摩擦力大小的唯一變量，而正壓力的大小又取決于主繩拉力（F2）大小和主繩的折返夾角或接觸的主繩曲率，所以主繩拉力越大，主繩折返夾角越小，主繩在保護(hù)器上的曲率越大，產(chǎn)生的摩擦力就越大。

在攀爬者和保護(hù)者體重相當(dāng)或保護(hù)者體重略低于攀爬者時(shí)，保護(hù)者可以通過適當(dāng)靠近攀爬者投影點(diǎn)的方法（減小保護(hù)點(diǎn)主繩折返角）增大主繩與保護(hù)點(diǎn)的摩擦力，對抗攀爬者的體重和沖墜（見圖9）。主繩在長時(shí)間使用后與鎖扣的摩擦力會下降，一般起毛后要及時(shí)更新；主繩在濕度較高的情況下與鎖扣摩擦力大幅增加，容易引起急速制動造成沖墜傷害，惡劣環(huán)境開展攀巖教學(xué)需謹(jǐn)慎檢查保護(hù)裝備。

2.2.4彈力（T）

由于主繩是動力繩，具有一定的彈力（T），在靜止懸掛和勻速下降時(shí)，主繩根據(jù)所受拉力被動拉伸，并保持在一定長度，其大小為拉伸長度與彈性系數(shù)的乘積，方向是沿主繩受力兩端向中心（見圖10）。由于主繩的彈性系數(shù)是一個(gè)可變量，在一定的拉伸長度范圍內(nèi)，被拉伸長度越大，其彈性系數(shù)越大，產(chǎn)生的拉力也越大［7］。所以在發(fā)生沖墜（沿主繩方向拉力忽然增大）時(shí)，主繩被拉長并同時(shí)產(chǎn)生彈力，與向上拉力和摩擦力同時(shí)作用于攀爬者以減小其向下加速度，當(dāng)沖墜速度為零（最低點(diǎn)）時(shí)，主繩由于在拉伸過程中貯存了收縮勢能，會形成向上的反彈以釋放收縮勢能，并經(jīng)數(shù)次反復(fù)后恢復(fù)到靜止懸掛時(shí)的長度。

主繩的彈性在快速沖墜減速過程中，使攀爬者受力制動時(shí)間增加，瞬間所受沖力變小，減小了攀爬者沖墜制動受傷的可能性。在攀爬者主動脫離巖壁時(shí)應(yīng)該適當(dāng)收緊主繩，減小其沖墜距離再勻速放繩下降。當(dāng)沖墜距離較大時(shí)應(yīng)適度拉緊主繩并逐漸放繩（或靠近攀爬者投影點(diǎn)），增大其下墜制動距離和時(shí)間，防止瞬間制動受傷。

2.2.5向上拉力（F1）

向上拉力F1是一個(gè)F（支持力N、向下拉力F2、摩擦力f和彈力T的合力）的分力（見圖11），其方向垂直向上，對抗重力。當(dāng)攀爬者脫落后，如果F1與G大小相等，則攀爬者靜止懸掛或勻速下降（常見于頂繩保護(hù)）；如果脫落后向下加速下墜（常見于先鋒保護(hù)），則F1小于G；但隨著主繩被動拉長， N、F2、f和T逐漸增大，F(xiàn)隨之增大， F1也逐漸增大，并逐漸超過G的大小，形成向上的加速度（制動），最終完成制動。

2.3 地面牽引部分的力學(xué)分析及相應(yīng)教學(xué)建議

從圖12、13、14可知，主繩通過下降器與保護(hù)者進(jìn)行連接，保護(hù)者通過收緊主繩利用體重G1對主繩產(chǎn)生拉力（F2）。地面牽引部分產(chǎn)生的向后下拉力F3（和F′2構(gòu)成一對平衡力，F(xiàn)′2大小和F2大小相等方向相反），身體對主繩的拉力（F3）大小，與保護(hù)者的體重G1的大小以及前腳（A點(diǎn)）站立的形態(tài)和位置有關(guān)。當(dāng)保護(hù)者位置不變時(shí)，要使身體對主繩的拉力F3能與F′2構(gòu)成平衡力，而且要使保護(hù)者位置相對固定，則G1越大、B點(diǎn)（重心投影點(diǎn)）與前腳A的距離越遠(yuǎn)，保護(hù)效果越好。其次，當(dāng)保護(hù)者越靠近上方保護(hù)點(diǎn)投影點(diǎn)，則F3與重垂線的夾角越小，G1轉(zhuǎn)化為F3的比例越大，更不易形成圍繞前腳A的向前移動和翻轉(zhuǎn)（F轉(zhuǎn)）。

在保護(hù)教學(xué)過程中要注意以下幾點(diǎn)：第一，保護(hù)者應(yīng)站于攀爬者和保護(hù)點(diǎn)投影點(diǎn)連線的延長線后方，密切觀察攀爬者線路的變化隨時(shí)調(diào)整保護(hù)位置；第二，側(cè)對攀爬者兩腳左右開立，前腳頂?shù)睾笸任⑶匦南陆岛笠?，以防被拉著撞向巖壁或與下墜的攀爬者相撞；第三，制動端是保護(hù)者利用自身體重形成有效保護(hù)力的關(guān)鍵抓手，保證制動端絕對掌控的同時(shí)根據(jù)情況握緊主繩或松手減小和主繩的摩擦力對保護(hù)的效果至關(guān)重要。

3 教學(xué)建議小結(jié)

3.1 體重

攀爬者的體重G越大，向上拉力F1也要隨之增大，所以保護(hù)者的體重也要隨之增大才能滿足保護(hù)的要求。因此，在選擇保護(hù)者時(shí)，盡量選擇比攀爬者體重更大或體重相當(dāng)?shù)娜诉M(jìn)行保護(hù)更為安全。如果保護(hù)者的體重不夠大，要注意保護(hù)者的固定，可以用扁帶連接保護(hù)者和地面固定附著物，確保雙方的安全。

3.2 站位

攀爬者、保護(hù)者和保護(hù)點(diǎn)三者位于同一垂直平面內(nèi)，可以避免主繩在受力時(shí)產(chǎn)生水平的擺蕩，減少攀爬者撞擊巖壁受傷的幾率，所以保護(hù)者要根據(jù)攀爬者的攀登路線不斷調(diào)整自己的位置，使三者的受力保持在同一垂直平面之內(nèi)。第二，保護(hù)者要始終保持前后腳的開度，并保持重心降低靠后，防止在突然受力時(shí)形成圍繞前腳的向前翻轉(zhuǎn)，失去對攀爬者下落速度和幅度的控制。第三，當(dāng)攀爬者體重明顯大于保護(hù)者時(shí)，靠近保護(hù)點(diǎn)垂線落點(diǎn)可以減小主繩在保護(hù)點(diǎn)的折返角，從而使支持力N和向下拉力F2的垂直分力增大，并同時(shí)增大主繩和保護(hù)點(diǎn)的摩擦力f，形成更大的向上拉力F1來對抗G，完成有效保護(hù)。

3.3 收、放繩

在五步保護(hù)法中，第一步是收回或放出主繩，這時(shí)保護(hù)者和主繩的聯(lián)系最不緊密，所以第二步鎖緊主繩的動作跟進(jìn)要迅速。這就要求保護(hù)者盡可能地縮短收繩和放繩的時(shí)間，因此保護(hù)者的保護(hù)手法要熟練而果斷，能保持一貫的警覺和責(zé)任感，對攀爬者的動作和意圖要有良好的預(yù)判能力，隨時(shí)進(jìn)行必要溝通，應(yīng)對攀爬者可能的墜落。

3.4 沖墜和下降

在發(fā)生沖墜時(shí)，特別是較長距離的沖墜，要避免突然地制動造成對攀爬者的傷害，所以保護(hù)者要學(xué)會逐步增加拉力，延長制動時(shí)間的方法。當(dāng)攀爬者下落時(shí)，被動地靠近保護(hù)點(diǎn)垂線落點(diǎn)，保持手與主繩的適當(dāng)摩擦并逐漸放出主繩，可以加大緩沖的時(shí)間和距離，充分發(fā)揮主繩的彈力，使制動的過程更為柔和和安全。下降時(shí)保護(hù)者要戴手套操作防止因摩擦擦傷和燙傷，保持握繩適宜松緊度盡量使下降速度保持勻速可控，不可隨意松、緊主繩戲弄下降者。

3.5 其他

攀巖保護(hù)技術(shù)嚴(yán)格遵循基本的力學(xué)原理，攀巖安全嚴(yán)重依賴于經(jīng)專業(yè)認(rèn)證的保護(hù)裝備［8］［9］和攀、保雙方對裝備的正確合理使用與維護(hù)。教學(xué)前要對場地和裝備認(rèn)真檢查，以防老化、損壞裝備影響力學(xué)性能；向?qū)W生闡明保護(hù)動作的力學(xué)原理，使其“知其所以然”以增強(qiáng)其對保護(hù)技術(shù)的認(rèn)識和掌握；保持高度的責(zé)任心，時(shí)刻警惕和糾正違規(guī)操作，秉承“安全第一”的教學(xué)理念［10］，堅(jiān)持從 “徒手模仿----平地（低空）模擬----雙人保護(hù)----單人保護(hù)”逐漸過渡的教學(xué)步驟，讓攀巖保護(hù)真正成為攀巖技術(shù)精進(jìn)的有力保障。

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Mechanical Analysis and Teaching Suggestions of Rock Climbing Protection Techniques

TAN Qiang , etal.

(Soochow University, Suzhou 215008, Jiangsu, China)

談強(qiáng)（1973—），碩士，講師，研究方向：體育教學(xué)與訓(xùn)練。

李榮（1973—），本科，講師，研究方向：體育教學(xué)與訓(xùn)練。