北京冬奧會(huì)里的物理考點(diǎn)

冰刀與熔點(diǎn)

冰刀是冰上運(yùn)動(dòng)的核心裝備之一，速度滑冰、花樣滑冰、冰球運(yùn)動(dòng)都離不開(kāi)冰刀。了解滑冰的人都知道，冰刀的刀刃是比較鋒利的，甚至說(shuō)是比較危險(xiǎn)的。

2010溫哥華冬奧會(huì)女子3000米接力賽，中國(guó)代表隊(duì)勇奪金牌，在隊(duì)員們忘情慶祝，與教練擁抱過(guò)程中，王濛無(wú)意間給隊(duì)友破了相，隊(duì)友張會(huì)的臉被割傷，事后縫了10針。

你去網(wǎng)上搜一下“冰刀劃傷”就會(huì)發(fā)現(xiàn)，冰刀傷人的案例在賽場(chǎng)上，甚至是訓(xùn)練場(chǎng)上時(shí)常發(fā)生。

那么問(wèn)題來(lái)了，既然危險(xiǎn)，為什么要把冰刀做的這么鋒利呢？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，冰刀設(shè)計(jì)的很薄，首先是為了蹬冰啟動(dòng)、加速時(shí)的抓地力。畢竟刀刃是嵌入冰里的，蹬冰時(shí)可以提供一個(gè)垂直于冰刀的反作用力。

除此之外，最常見(jiàn)的解釋是：增大與冰面的壓強(qiáng)從而降低冰的熔點(diǎn)，使得接觸點(diǎn)的冰熔化成水膜從而減小摩擦。

知識(shí)點(diǎn)1 干摩擦與濕摩擦

干摩擦是發(fā)生在固體與固體之間的摩擦，濕摩擦是發(fā)生在固體與液體或氣體之間的摩擦，相同壓力下，后者的摩擦系數(shù)比前者小很多。

比如，為了減小機(jī)械之間的摩擦，工業(yè)上通常會(huì)加潤(rùn)滑油，這就是利用濕摩擦較小的特點(diǎn)。再比如，剛被濕拖把清掃過(guò)的地面非常的滑，也是因?yàn)槔昧祟?lèi)似的原理。

冰的表面，比大多數(shù)的物體表面都要光滑（據(jù)說(shuō)表層有一層很薄的水膜），但是對(duì)于滑冰而言還不夠，如果能在冰的表面撒一層水，其摩擦系數(shù)會(huì)進(jìn)一步減小。

但現(xiàn)在存在一個(gè)問(wèn)題，如果真的在低溫冰面上灑水，水也會(huì)很快凝固。那怎么辦呢？總不能在冰面上灑潤(rùn)滑油吧？

這時(shí)候就需要第二個(gè)知識(shí)點(diǎn)幫你解答。

知識(shí)點(diǎn)2 冰的熔點(diǎn)與壓強(qiáng)

對(duì)于冰這種晶體來(lái)講，熔化時(shí)體積是變小的，在壓強(qiáng)比較大的時(shí)候，水更傾向變?yōu)轶w積更小的液態(tài)，換句話(huà)說(shuō)其熔點(diǎn)會(huì)降低。這一點(diǎn)，可以從水的三相圖中得到答案。

冰刀之所以做得鋒利，是為了通過(guò)減小受力面積從而增大與冰面的壓強(qiáng)，如此原來(lái)接觸點(diǎn)部分的冰熔點(diǎn)降低會(huì)迅速熔化，從而起到潤(rùn)滑作用。劃過(guò)的冰面，因?yàn)楸秾?duì)冰面壓強(qiáng)的消失熔點(diǎn)回升，熔化后的水又迅速結(jié)冰了，這就是復(fù)冰現(xiàn)象。

在初中物理課中，老師可能會(huì)演示一個(gè)叫做“繩子穿冰塊”的物理實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，被繩子勒住的地方壓強(qiáng)大，接觸處的冰因熔點(diǎn)降低而熔化，當(dāng)繩子穿過(guò)之后熔點(diǎn)回升又重新凝固了。

拓展知識(shí) 捏雪球

你想過(guò)沒(méi)有，原本松軟的雪，為什么捏一下就可以變成硬的雪球？

雪是微小的冰晶，受到外部擠壓時(shí)熔點(diǎn)降低，發(fā)生熔化。捏成雪球后不再給它壓力，熔化的部分又重新結(jié)冰，把其余沒(méi)有融化的凍結(jié)成型，所以捏好后的雪球可以保持形狀。滾雪球時(shí)也是利用雪球本身重力，實(shí)現(xiàn)雪“熔化”到“凝固”的過(guò)程。

花樣滑冰與角動(dòng)量守恒

花樣滑冰是一項(xiàng)集優(yōu)雅，舞姿以及體育技巧于一體的極具觀(guān)賞性體育項(xiàng)目，選手往往在優(yōu)美的音樂(lè)和高度的滑行中做個(gè)各種高難度的動(dòng)作。

花樣滑冰里最有趣的物理現(xiàn)象是：運(yùn)動(dòng)員原地旋轉(zhuǎn)時(shí)，雙手展開(kāi)時(shí)轉(zhuǎn)速不快，但將手收近身體時(shí)旋轉(zhuǎn)速度會(huì)越來(lái)越快。這是為什么？

這里面涉及到的物理概念有：角速度、角動(dòng)量、角動(dòng)量守恒。

知識(shí)點(diǎn)1 角速度

角速度是圓周運(yùn)動(dòng)中質(zhì)點(diǎn)在Δt時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角為Δθ，即為描述物體繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢的物理量，用符號(hào)ω表示。

知識(shí)點(diǎn)2 角動(dòng)量

角動(dòng)量是指質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量p對(duì)O點(diǎn)之動(dòng)量矩（通常稱(chēng)為角動(dòng)量），簡(jiǎn)記為L(zhǎng)。當(dāng)剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其角動(dòng)量等于：

其中的J為剛體繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有時(shí)也用I表示。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，雖然不同形狀的剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法不同，但從下表能看出，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與旋轉(zhuǎn)半徑 r 有關(guān)，r 變大時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也變大。

注：角動(dòng)量知識(shí)點(diǎn)是大學(xué)才學(xué)到的。

知識(shí)點(diǎn)3 角動(dòng)量守恒

這個(gè)神奇的原理，不懂滑冰的人也可以體驗(yàn)一下：一個(gè)人坐在能繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的凳子（轉(zhuǎn)臺(tái)）上，手握啞鈴或其他重物，開(kāi)始時(shí)平舉雙臂，使人和凳子一起以某固定角速度轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。然后人迅速收縮雙臂，這時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)人轉(zhuǎn)的更快了！

如果物體所受合外力矩等于零，或者不受外力矩作用，物體的角動(dòng)量保持不變，這個(gè)結(jié)論叫做角動(dòng)量守恒。

用以上原理，咱們來(lái)解釋花滑旋轉(zhuǎn)模型：在光滑的冰面上旋轉(zhuǎn)起來(lái)時(shí)，若忽略摩擦力、空氣阻力，那么初始的角動(dòng)量視為固定值，初始手臂伸展轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I。在身體收緊時(shí)，就是將旋轉(zhuǎn)半徑r變小的過(guò)程，即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變小，根據(jù)角動(dòng)量守恒，角速度自然就變大，所以就轉(zhuǎn)的越來(lái)越快啦！

張開(kāi)雙臂，轉(zhuǎn)得慢；縮回雙臂，轉(zhuǎn)得快。

在失重環(huán)境中轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)有摩擦力影響，這個(gè)實(shí)驗(yàn)更加容易成功，這可能是世界上最標(biāo)準(zhǔn)的角動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)了，好羨慕哦。

冰壺比賽為什么要擦地？

冰壺運(yùn)動(dòng)可稱(chēng)其之為集技巧與智慧于一體的體育運(yùn)動(dòng)，被大家譽(yù)為冰上的“國(guó)際象棋”。

中國(guó)冰壺隊(duì)于2003年成立，短短十幾年的發(fā)展中成績(jī)斐然。

知識(shí)點(diǎn)1 冰壺賽道表面不光滑

與速度滑冰、花樣滑冰不同，冰壺賽道冰面非常奇特，并不是平整光滑的表面，甚至還有一層薄薄的冰粒，如同細(xì)小的“鵝卵石”，或“小疙瘩”。

制冰師每次在制冰時(shí)，會(huì)在光滑如鏡的冰面上噴灑水珠，每一顆水珠通常在2到3毫米大小，這些水珠遇冷迅速凝固成冰粒，此過(guò)程被稱(chēng)之為“打點(diǎn)”。而這樣做的原因讓人費(fèi)解——為了減小摩擦。

學(xué)過(guò)初中物理的人都知道，物體表面越粗糙，動(dòng)摩擦系數(shù)越大。那為什么冰壺賽道冰面要做這么多的“小疙瘩”呢？這不是更“粗糙”了嗎？這里涉及到的知識(shí)點(diǎn)，曾經(jīng)講過(guò)，即“熔點(diǎn)與壓強(qiáng)”。

因?yàn)楸鶋睾艹?，大約20千克一個(gè)，壺底是平面，中心凹進(jìn)去一點(diǎn)，放到鋪滿(mǎn)小冰粒的冰面上，接觸點(diǎn)的壓強(qiáng)很大，導(dǎo)致冰的熔點(diǎn)降低而熔化，熔化后的水膜可以減小摩擦。

所以冰壺并不是在冰面上滑行，而是在這些“冰?！鄙匣?。

如果做成光滑的平面，可能會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果：冰壺底面中間內(nèi)凹，四周接觸部分的冰熔化后，整個(gè)冰壺會(huì)如同吸盤(pán)一樣“吸”在冰面上。

知識(shí)點(diǎn)2 為什么要“擦冰”？

相信很多人在電視上看過(guò)冰壺比賽，一位隊(duì)員表情嚴(yán)肅的推出冰壺，冰壺前方還有兩位緊張的大喊并且瘋狂“擦地板”，然后看見(jiàn)冰壺撞開(kāi)對(duì)手冰壺，穩(wěn)穩(wěn)旋進(jìn)圓心，隊(duì)員歡呼。

問(wèn)題來(lái)了，運(yùn)動(dòng)員為什么要“擦地板”呢？這個(gè)過(guò)程實(shí)際叫做“刷冰”，是冰壺比賽重要技術(shù)之一。

很多人以為，刷冰是為了清掃冰面，順便給冰壺“注入靈魂”，實(shí)際上并不是。刷冰的主要目的在于，通過(guò)冰刷的摩擦，使冰面溫度升高，造成冰面熔化，在冰表面形成一層水膜，減小摩擦力。

賽場(chǎng)上，刷冰面的意義就在于讓冰壺旋轉(zhuǎn)更少并滑得更遠(yuǎn)。而刷冰面的強(qiáng)弱程度則取決于你想讓冰壺留在什么位置。這里面的技巧可比你想象的多很多，這也是該運(yùn)動(dòng)會(huì)被稱(chēng)作“冰上象棋”的原因。

知識(shí)點(diǎn)3 冰壺撞擊與動(dòng)量守恒

對(duì)于普通觀(guān)眾而言，在冰壺比賽上最期待看到的就是冰壺們的“精彩”撞擊。而冰壺撞擊模型，是高中物理“動(dòng)量守恒”和“碰撞”中的重要命題素材。

動(dòng)量守恒定律是現(xiàn)代物理學(xué)中的三大基本守恒定律之一，基本描述為：一個(gè)系統(tǒng)不受外力或所受外力之和為零，這個(gè)系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。

考慮到冰壺質(zhì)量很大，滑行過(guò)程中所受阻力很小，因此可以近似理解為符合動(dòng)量守恒定律。

多說(shuō)無(wú)益，做一道簡(jiǎn)單的物理題：

速度滑冰“壓彎”的原因

本部分難度最大，而涉及到的比賽項(xiàng)目是中國(guó)冬奧會(huì)隊(duì)伍的強(qiáng)勢(shì)“奪金點(diǎn)”——短道速滑。

了解冬奧會(huì)的人都知道，中國(guó)的短道速滑隊(duì)?wèi)?zhàn)績(jī)輝煌，堪稱(chēng)中國(guó)隊(duì)在冬奧會(huì)上的“王者之師”。

中國(guó)短道速滑隊(duì)

2002年美國(guó)鹽湖城冬奧會(huì)，中國(guó)女子短道速滑運(yùn)動(dòng)員楊揚(yáng)獲得500米、1000米冠軍，這是中國(guó)冬奧會(huì)金牌史第一和第二枚金牌。

2014年溫哥華冬奧會(huì)上，在主教練李琰的帶領(lǐng)下，由王濛、周洋、張會(huì)、孫琳琳組成的中國(guó)女子短道速滑隊(duì)，包攬了女子500米、1000米、1500米和3000米接力女子短道速滑項(xiàng)目的全部四枚金牌，創(chuàng)造了歷史。

2018年平昌冬奧會(huì)，中國(guó)短道速滑隊(duì)武大靖獲得500米冠軍。含金量十足！

在短道速滑比賽途中，個(gè)人最喜歡的場(chǎng)面就是運(yùn)動(dòng)員們的“彎道”超車(chē)，要知道短道速滑中彎道大約占總距離的50%，能否掌握彎道技巧對(duì)于速滑運(yùn)動(dòng)員非常重要。

運(yùn)動(dòng)員們過(guò)彎道時(shí)，身體總是大幅度向內(nèi)傾斜，一邊的身體幾乎貼著地面。問(wèn)題來(lái)了：這種“壓彎”的目的是什么？物理原理又是什么呢？

如果用一句話(huà)簡(jiǎn)單解釋“壓彎”原理，就是重力與離心力的力矩平衡，說(shuō)的再簡(jiǎn)單點(diǎn)就是“不壓彎，會(huì)被甩出去”。

知識(shí)點(diǎn)1 力平衡

運(yùn)動(dòng)員滑冰轉(zhuǎn)彎看作圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)冰刀卡在冰面上時(shí)受到的摩擦力提供向心力。為了方便研究，引入了另一個(gè)虛擬的力，即“離心力”，其大小與向心力相等，方向相反。

如下圖，討論力平衡問(wèn)題。

因此在水平方向上，摩擦力f等于離心力vm/r。

知識(shí)點(diǎn)2 力矩平衡

除了力的平衡分析，接下來(lái)還要對(duì)力矩平衡進(jìn)行分析。

如果滑冰轉(zhuǎn)彎時(shí)人的身體是直立的，上半身會(huì)因?yàn)閼T性會(huì)做離心運(yùn)動(dòng)而被“甩出去”。你肯定有過(guò)這樣的經(jīng)驗(yàn)：車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，車(chē)內(nèi)的乘客容易向外傾倒，這時(shí)候一般人的上半身會(huì)不自覺(jué)的向內(nèi)傾斜做出“抵抗”。

不僅僅是滑冰運(yùn)動(dòng)員，摩托車(chē)過(guò)彎時(shí)也有明顯“壓彎”現(xiàn)象。

如圖，為了保持平衡，以冰刀和地面接觸點(diǎn)為圓心，重力的力矩應(yīng)該等于離心力的力矩。

一通推導(dǎo)完畢，你會(huì)得到上面的式子。

知識(shí)點(diǎn)2 力矩平衡

可以看出，如果轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度很大，為了不被甩出去有兩種方法：

①增大轉(zhuǎn)彎半徑r：這也是機(jī)動(dòng)車(chē)在高速行駛時(shí)不能急轉(zhuǎn)彎的原因。

②增大傾斜角度θ：因?yàn)槎痰浪倩谋荣悎?chǎng)地彎道固定，所以運(yùn)動(dòng)員告訴轉(zhuǎn)彎時(shí)，必然要身體會(huì)大幅向內(nèi)傾斜。

重力G與支持力F 的合力F提供了向心力N

需要補(bǔ)充一點(diǎn)：關(guān)于“壓彎”現(xiàn)象，很多人會(huì)把它的原理等效為高中物理教科書(shū)上的“火車(chē)轉(zhuǎn)彎”模型。這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，因?yàn)榛疖?chē)轉(zhuǎn)彎主要靠?jī)?nèi)外側(cè)鐵軌的高度差實(shí)現(xiàn)，這時(shí)是靠鐵軌傾斜的“支持力”和重力的合力來(lái)提供向心力。

而滑冰運(yùn)動(dòng)員、摩托車(chē)手壓彎時(shí)，支持力一直是豎直向上的。