北京冬奧會高考物理考點(2)

　　03.冰壺比賽為什么要擦地？

　　冰壺可稱其之為集技巧與智慧于一體的體育運動，被大家譽為冰上的“國際象棋”。

　　中國冰壺隊于2003年成立，短短十幾年的發(fā)展中成績斐然。

　　老規(guī)矩，聊一下冰壺運動中的物理知識。

　　知識點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，如同細小的“鵝卵石”，或“小疙瘩”。

　　制冰師每次在制冰時，會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，此過程被稱之為“打點”。而這樣做的原因讓人費解——為了減小摩擦。

　　學過初中物理的人都知道，物體表面越粗糙，動摩擦系數越大。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？這里涉及到的知識點，曾經講過，即“熔點與壓強”。

　　因為冰壺很沉，大約20千克一個，壺底是平面，中心凹進去一點，放到鋪滿小冰粒的冰面上，接觸點的壓強很大，導致冰的熔點降低而熔化，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“冰粒”上滑行。

　　如果做成光滑的平面，可能會出現這樣的結果：冰壺底面中間內凹，四周接觸部分的冰熔化后，整個冰壺會如同吸盤一樣“吸”在冰面上。

　　知識點2 為什么要“擦冰”？

　　相信很多人在電視上看過冰壺比賽，一位隊員表情嚴肅的推出冰壺，冰壺前方還有兩位緊張的大喊并且瘋狂“擦地板”，然后看見冰壺撞開對手冰壺，穩(wěn)穩(wěn)旋進圓心，隊員歡呼······

　　問題來了，運動員為什么要“擦地板”呢？這個過程實際叫做“刷冰”，是冰壺比賽重要技術之一。

　　很多人以為，刷冰是為了清掃冰面，順便給冰壺“注入靈魂”，實際上并不是。刷冰的主要目的在于，通過冰刷的摩擦，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。

　　賽場上，刷冰面的意義就在于讓冰壺旋轉更少并滑得更遠。而刷冰面的強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得多很多，這也是該運動會被稱作“冰上象棋”的原因。

　　知識點3 冰壺撞擊與動量守恒

　　對于普通觀眾而言，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“動量守恒”和“碰撞”中的重要命題素材。

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

　　m1v1+m2v2=m1v1ˊ+m2v2ˊ

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

　　04.速度滑冰“壓彎”的原因

　　本部分難度最大，而涉及到的比賽項目是中國冬奧會隊伍的強勢“奪金點”——短道速滑。

　　了解冬奧會的人都知道，中國的短道速滑隊戰(zhàn)績輝煌，堪稱中國隊在冬奧會上的“王者之師"。

　　2002年美國鹽湖城冬奧會，中國女子短道速滑運動員楊揚獲得500米、1000米冠軍，這是中國冬奧會金牌史第1、2枚金牌。

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

　　2018年平昌冬奧會，中國短道速滑隊武大靖獲得500米冠軍。含金量十足！

　　在短道速滑比賽途中，個人最喜歡的場面就是運動員們的“彎道”超車，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于速滑運動員非常重要。

　　運動員們過彎道時，身體總是大幅度向內傾斜，一邊的身體幾乎貼著地面。問題來了：

　　這種“壓彎”的目目的是什么？物理原理又是什么呢？

　　如果用一句話簡單解釋“壓彎”原理，就是重力與離心力的力矩平衡，說的再簡單點就是“不壓彎，會被甩出去”。

　　知識點1 力平衡

　　運動員滑冰轉彎看作圓周運動，此時冰刀卡在冰面上時受到的摩擦力提供向心力。為了方便研究，引入了另一個虛擬的力，即“離心力”，其大小與向心力相等，方向相反。

　　如下圖，討論力平衡問題

　　一通推導完畢，你會得到上面的式子

　　可以看出，如果轉彎時的速度很大，為了不被甩出去有兩種方法：

　　增大轉彎半徑r：這也是機動車在高速行駛時不能急轉彎的原因；

　　增大傾斜角度θ：因為短道速滑的比賽場地彎道固定，所以運動員告訴轉彎時，必然要身體會大幅向內傾斜。

　　需要補充一點：關于“壓彎”現象，很多人會把它的原理等效為高中物理教科書上的“火車轉彎”模型。這是不嚴謹的，因為火車轉彎主要靠內外側鐵軌的高度差實現，這時是靠鐵軌傾斜的“支持力”和重力的合力來提供向心力。

　　而滑冰運動員、摩托車手壓彎時，支持力一直是豎直向上的。

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