冬奥会冰壶比赛重点在摩擦力?

来源:科普中国网发布时间:2018-02-26

冬奥会上的冰壶比赛到底为什么拼命“擦地板”,难道你不想知道吗?

最近在韩国的冬奥会刚刚结束,在冬奥会上的各种项目包括滑雪,雪橇,冰球以及冰壶等等其实都和一个物理概念——摩擦力——息息相关,其中摩擦力对于冰壶这个比赛项目的影响更是达到了“发指”的地步。

冰壶(Curling)又称为“冰上溜石”,是一项队制的冬季奥林匹克运动会项目。冰壶所有的“壶”称为“石壶”,运动员需要把对方的“石壶”击走,并把自己队的“石壶”留在比赛场地的圆心中,即所谓的大本营中,最终大本营中哪一方的冰壶数量多,更靠近中心点,哪一方得分就高。

很多人觉得冰壶比赛很无聊,感觉就是掷掷冰壶,拖拖地,没什么看点。但其实冰壶比赛对于运动员的团队精神以及队员的比赛技巧都有着极大的考验。

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首先,当掷球员掷出冰壶的那一刻,他就要考虑冰壶与冰面的摩擦力的大小对于冰壶运动距离的影响,确保己方的冰壶能准确地落到大本营里。如果大本营里面还有对方的冰壶,还要考虑冰壶的速度,以求准确地把对方的冰壶击出大本营,并使己方的冰壶留下来。这一过程不但要考虑摩擦力,还要考虑动量守恒的相关参数,包括击球的角度,碰撞的力度等等。

除了掷球员之外,还有刷冰员不停地在冰壶前面刷冰,目的就是为了减少冰壶和冰面之间的摩擦力,使冰壶前进得更远。另外,冰壶在运动过程中的旋转方向和旋转力度的大小都会影响到它最终的轨迹。因此在冰壶比赛中,队员们,特别是掷球员,需要高度集中精神,思考如何掷球,需不需要刷冰等等,这也是为什么要求观众在冰壶比赛现场保持安静的原因。

冰壶和冰面之间的摩擦力属于滑动摩擦力,摩擦系数具体的大小和冰壶的材质以及质量有关系。对于花岗岩的冰壶来说,摩擦系数一般是在0.01-0.02 左右。当刷冰员在冰壶前面刷冰时,由于冰刷和冰摩擦生会热,这部分热量会使冰少量的融化,这样就会在冰壶和冰之间形成一层薄薄的水膜,可以减小两者之间的摩擦系数,使冰壶前进得更远。刷冰员可以使冰壶相比于不刷冰多前进3-5m左右。当然也有更厉害的,如瑞典运动员,能使冰壶多前进8m左右。

下面我们来估计一下冰壶的出球速度:

假设冰壶的质量是20kg,重力加速度是9.8 m.s-2,摩擦系数是0.015,假设冰壶是直线运动的。大本营中心距离掷球点大概30m,大本营的直径大概是3.65m。根据动能守恒定律:

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其中m是冰壶的质量,v是出球速度,f_摩是摩擦力,s是冰壶的运动距离。通过简单的计算,我们可以得出要使冰球准确的落在大本营里面,运动员的掷球的速度应该控制在2.878~3.059m/s之间,可以看出这个速度范围大概只有0.18m/s左右,如果要考虑运动轨迹和撞击速度的话,掷球的速度范围会更小,因此冰壶运动对于运动员的专业水准有着很高的考验。

当冰壶离开掷球员的手之后,冰壶的命运就交给了刷冰员。冰壶在运动过程中一般都会有旋转,因此冰壶一般走的都是弯曲的线路,刷冰这个操作可以影响到弯曲轨迹的方向,对于冰壶能否落入大本营有着很重要的影响。

在光滑的冰面上刷冰员不但要保持自己的平衡,还要紧跟着冰壶去判断什么时候该刷,什么时候只能刷一边,什么时候不应刷等等。另外,刷冰的技巧和力度也能够影响到冰壶和冰之间水膜的厚度和大小,对于冰壶的运动轨迹也十分重要。

因此,刷冰并不是简单的“拖地”运动,而是一种十分重要的比赛策略,对于最终的比赛分数有着举足轻重的影响,可以形象的称之为“刷分”。

另外,当对方的冰壶占据了大本营中心的位置之后,己方的掷球员和刷冰员还要考虑以怎样的速度和方向高效的清理对方的冰壶,这就需要团队的紧密配合和比赛策略的制定了,通过巧妙的掷球和刷冰,可以将对方的冰壶巧妙地撞飞,以取而代之。

从上面的分析我们可以看出,冰壶运动并不像我们想象的那样,简简单单的掷出冰壶就可以了。由于摩擦力的影响,它会涉及到很多的比赛技巧和比赛策略,是一种高脑力的运动,更像是一种棋类运动,因此它还有个别名叫做“冰上国际象棋”,这个名字可以说是实至名归了。也正是因为这样,冰壶比赛的现场和围棋象棋一样,都需要观众保持安静,使比赛人员能够集中精力专心思考比赛策略。

文章原标题为《冬奥会冰壶比赛为啥要拼命“擦地板”?它可与摩擦力息息相关

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