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冰雪運動中運動員如何與摩擦力、空氣阻力極限對抗?

冰雪運動中運動員如何與摩擦力、空氣阻力極限對抗?
冰雪運動中運動員如何與摩擦力、空氣阻力極限對抗?

“更快(Citius)、更高(Altius)、更強(Fortius)”是現代奧運會的座右銘。

“更快”需要速度、“更高需”要能量、“更強”需要力量。“更團結”則需要廣義的“人際黏合力"

完成動作本身是力學過程、提高比賽成績需要力學研究。觀衆看到滑雪者、溜冰者和雪橇運動員來到賽場的斜坡、溜冰場和賽道,争奪四年一度的奧運會榮耀,但背後是力學和科學技術的呈現。

冰雪運動中運動員如何與摩擦力、空氣阻力極限對抗?

滑冰完全是力學,像武大靖和周洋這樣的奧運希望者在冰上優雅地跳躍和旋轉時看起來很容易。但其背後的科學家和工程師甚至會用碳納米管來幫助減少滑雪闆的振動。

冰雪運動中運動員如何與摩擦力、空氣阻力極限對抗?

旋轉跳躍的滑冰者通常會先張開雙臂,然後在跳躍過程中收緊雙臂,在着冰時再次将雙臂放寬。這是為了展示他們難以置信的天賦嗎?否!這裡是力學規律使然。當他們以雙臂展開初始旋轉時,具有一定量的角動量,後者由旋轉速率和品質分布決定。當他們将手臂伸入時,他們将品質移動到更靠近旋轉軸的位置,這将使他們的角速度更小。

力學定律告訴我們,在沒有其他力的情況下,旋轉物體的角動量必須保持不變,是以他們的旋轉速度會增加,以補償它們品質的重新分布。當他們在經曆了驚人的快速旋轉後着陸時,他們再次張開雙臂,再次降低了旋轉速度,讓他們可以直線滑行。

同樣的原則也适用于滑雪者和單闆滑雪者完成的空中技巧——完成更複雜的技巧時,運動員開始使自己盡可能高盡可能展開,然後内收以使自己旋轉得更快,進而保持較高的角速度。

滑雪除了受到摩擦力,還有令實體學家讨厭的另一種力(空氣阻力)的巨大影響。當您看到頂級滑雪者在比賽中的動作照片時,他們總是彎腰并保持緊身的姿勢,以盡量減少他們在風中迎風面積。這樣降低了他們所受到的阻力,使他們能夠更快地加速下山。

冰雪運動中運動員如何與摩擦力、空氣阻力極限對抗?

然而,滑雪的勝利并不像滾個球然後直行那麼簡單,前者需要沿着一條有無數拐彎的路線前進。獲勝的滑雪者是在這過程中做得最好的人,盡量靠内側以最大限度地減少他們必須滑過的總距離。這有兩個方面的幫助:速度給定時,滑行距離越短,時間越少;距離越短,摩擦力所做負功越少。

摩擦之是以被實體學家讨厭,是因它的影響與路徑有關。路徑越長,滑雪者因摩擦而損失的能量就越多,他們沿着這條路線滑行的速度就越慢。

所有的冬奧運動都有一個共同特點是,它們都依賴于冰雪的光滑度。冰壺在冰面滑行因為冰很滑,頂級滑雪者要爬到很高的地方,是因為積雪和空氣阻力對人體有抵抗力,而花樣滑冰運動員則因為冰很滑能優雅地轉彎和跳躍。

冰滑的關鍵在于表面有一層薄薄的液體層,其來源長期以來一直在實體學中争論不休——多年來,經典解釋是來自上方的壓力降低了冰刀下冰的熔點,但這種影響确實不足以解釋為什麼滑冰者可以在極冷的情況下滑冰。

現代解釋是,在深處冰是晶體結構,但在表層分子之間的鍵排列不再規則,這使得位于表面分子更容易變成液态,進而呈現出我們能體驗到的滑溜感。

支配着運動員的力量基本是三種:向下作用的重力;空氣動力阻力,其作用與運動員前進的方向相反;在許多運動中,離心力會運動員身上呈現出來,比如當滑冰選手繞彎道滑移要向内傾斜。

除了這三種基本力之外,最關鍵的人體内力,這個力是“廣義力”。它是運動員訓練和天賦互相作用的結果。

三種基本力是選手和科學家在冬奧比賽中需要考慮的主要因素。

- 為了減少摩擦,滑雪闆和滑雪闆在使用前都要打蠟。專業的蠟技師有大約 500 種不同的産品可供選擇,并依據雪況選擇合适的蠟。

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- 當雪潮濕時,蠟中會增加一種稱為氟的添加劑。但如果添加過多,則會産生更大的摩擦力。抗靜電蠟也可用于減少在長時間比賽中積累的靜電荷。

-滑雪跳台實際上是由陶瓷制成的而不是雪。當用水潤濕時,它們具有與雪相同的摩擦特性,但允許這項運動全年在幾乎相同的條件下進行。

冰雪運動中運動員如何與摩擦力、空氣阻力極限對抗?

- 為了對抗空氣阻力,運動員要穿緊身衣。但在不少運動中,緊身衣破掉了。可以緊身衣上弄幾個洞來漏風,進而減少破損率。但這個建議因可能略增大阻力而被拒絕使用。

- 在其他運動中,裝備對于幫助運動員發揮最佳表現至關重要。在無舵雪橇比賽中,較輕的選手可以穿負重背心,以最大限度地減少較重的選手所具有的優勢。

冰雪運動中運動員如何與摩擦力、空氣阻力極限對抗?

- 在冰壺比賽中,球員一隻腳穿橡膠底鞋,另一隻穿特氟龍底鞋,前者的摩擦力讓他們有推力,後者極低的摩擦系數讓他們易于滑行。

-設計師使用計算機模拟來確定它可以适應一系列不同的軌道。

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