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(duì)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(jiàn)的安全問(wèn)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(guò)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(dòng)。

本文主要對(duì)上方和下方保護(hù)（見(jiàn)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(duì)抗使攀爬者體重（重力）和加速墜落的沖墜力（見(jiàn)圖5）。重力是地球?qū)θ说囊Γ谙蛏吓逝罆r(shí)是運(yùn)動(dòng)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(méi)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(guò)保護(hù)系統(tǒng)的操作，產(chǎn)生向上拉力，以對(duì)抗脫落后攀爬者所受的重力，阻止攀爬者快速?zèng)_擊地面或避免急速制動(dòng)，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(dòng)中需要克服的最大阻力，也是造成攀巖運(yùn)動(dòng)損傷事故的主要因素。但對(duì)抗和克服重力就恰恰是攀巖運(yùn)動(dòng)的魅力所在，因此可以說(shuō)重力造就了攀巖運(yùn)動(dòng)，也威脅著攀巖運(yùn)動(dòng)；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(lái)對(duì)抗重力的杰構(gòu)。當(dāng)G和F1成為一對(duì)平衡力時(shí)，攀爬者處于靜止懸掛或勻速下降狀態(tài)（見(jiàn)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(duì)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(duì)鎖扣（或快掛）產(chǎn)生了壓力，同時(shí)鎖扣（或快掛）也對(duì)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(jiàn)圖7），攀登者體重越大，沖墜制動(dòng)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(duì)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(jiàn)圖7）。在保護(hù)的不同階段，保護(hù)者通過(guò)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(lái)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(lái)，其他被告和律師也站起來(lái)。作者流下了淚水，以痛悔的眼光看著竹韻：“對(duì)不起，竹韻女士，請(qǐng)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(dòng)作中始終保持至少有一只手握緊制動(dòng)端主繩，且保證主繩長(zhǎng)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(dòng)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^(guò)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(dòng)方向相反（見(jiàn)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(guò)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(duì)抗攀爬者的體重和沖墜（見(jiàn)圖9）。主繩在長(zhǎng)時(shí)間使用后與鎖扣的摩擦力會(huì)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(dòng)造成沖墜傷害，惡劣環(huán)境開(kāi)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(dòng)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(dòng)拉伸，并保持在一定長(zhǎng)度，其大小為拉伸長(zhǎng)度與彈性系數(shù)的乘積，方向是沿主繩受力兩端向中心（見(jiàn)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(zhǎng)度范圍內(nèi)，被拉伸長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)程中貯存了收縮勢(shì)能，會(huì)形成向上的反彈以釋放收縮勢(shì)能，并經(jīng)數(shù)次反復(fù)后恢復(fù)到靜止懸掛時(shí)的長(zhǎng)度。

主繩的彈性在快速?zèng)_墜減速過(guò)程中，使攀爬者受力制動(dòng)時(shí)間增加，瞬間所受沖力變小，減小了攀爬者沖墜制動(dòng)受傷的可能性。在攀爬者主動(dòng)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(dòng)距離和時(shí)間，防止瞬間制動(dòng)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(jiàn)圖11），其方向垂直向上，對(duì)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(jiàn)于頂繩保護(hù)）；如果脫落后向下加速下墜（常見(jiàn)于先鋒保護(hù)），則F1小于G；但隨著主繩被動(dòng)拉長(zhǎng)， 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(guò)G的大小，形成向上的加速度（制動(dòng)），最終完成制動(dòng)。

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(guò)下降器與保護(hù)者進(jìn)行連接，保護(hù)者通過(guò)收緊主繩利用體重G1對(duì)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(duì)平衡力，F(xiàn)′2大小和F2大小相等方向相反），身體對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)和翻轉(zhuǎn)（F轉(zhuǎn)）。

在保護(hù)教學(xué)過(guò)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(zhǎng)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(duì)攀爬者兩腳左右開(kāi)立，前腳頂?shù)睾笸任⑶匦南陆岛笠疲苑辣焕蚕驇r壁或與下墜的攀爬者相撞；第三，制動(dòng)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(dòng)端絕對(duì)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(duì)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(kāi)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(duì)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(lái)對(duì)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(dòng)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(jué)和責(zé)任感，對(duì)攀爬者的動(dòng)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(duì)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(zhǎng)距離的沖墜，要避免突然地制動(dòng)造成對(duì)攀爬者的傷害，所以保護(hù)者要學(xué)會(huì)逐步增加拉力，延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間的方法。當(dāng)攀爬者下落時(shí)，被動(dòng)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(dòng)的過(guò)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(duì)裝備的正確合理使用與維護(hù)。教學(xué)前要對(duì)場(chǎng)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(dòng)作的力學(xué)原理，使其“知其所以然”以增強(qiáng)其對(duì)保護(hù)技術(shù)的認(rèn)識(shí)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(guò)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。