北京冬奧會里的物理考點

冰刀與熔點

冰刀是冰上運動的核心裝備之一，速度滑冰、花樣滑冰、冰球運動都離不開冰刀。了解滑冰的人都知道，冰刀的刀刃是比較鋒利的，甚至說是比較危險的。

2010溫哥華冬奧會女子3000米接力賽，中國代表隊勇奪金牌，在隊員們忘情慶祝，與教練擁抱過程中，王濛無意間給隊友破了相，隊友張會的臉被割傷，事后縫了10針。

你去網上搜一下“冰刀劃傷”就會發現，冰刀傷人的案例在賽場上，甚至是訓練場上時常發生。

那么問題來了，既然危險，為什么要把冰刀做的這么鋒利呢？

簡單來說，冰刀設計的很薄，首先是為了蹬冰啟動、加速時的抓地力。畢竟刀刃是嵌入冰里的，蹬冰時可以提供一個垂直于冰刀的反作用力。

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

知識點1 干摩擦與濕摩擦

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

比如，為了減小機械之間的摩擦，工業上通常會加潤滑油，這就是利用濕摩擦較小的特點。再比如，剛被濕拖把清掃過的地面非常的滑，也是因為利用了類似的原理。

冰的表面，比大多數的物體表面都要光滑（據說表層有一層很薄的水膜），但是對于滑冰而言還不夠，如果能在冰的表面撒一層水，其摩擦系數會進一步減小。

但現在存在一個問題，如果真的在低溫冰面上灑水，水也會很快凝固。那怎么辦呢？總不能在冰面上灑潤滑油吧？

這時候就需要第二個知識點幫你解答。

知識點2 冰的熔點與壓強

對于冰這種晶體來講，熔化時體積是變小的，在壓強比較大的時候，水更傾向變為體積更小的液態，換句話說其熔點會降低。這一點，可以從水的三相圖中得到答案。

冰刀之所以做得鋒利，是為了通過減小受力面積從而增大與冰面的壓強，如此原來接觸點部分的冰熔點降低會迅速熔化，從而起到潤滑作用。劃過的冰面，因為冰刀對冰面壓強的消失熔點回升，熔化后的水又迅速結冰了，這就是復冰現象。

在初中物理課中，老師可能會演示一個叫做“繩子穿冰塊”的物理實驗。

這個實驗中，被繩子勒住的地方壓強大，接觸處的冰因熔點降低而熔化，當繩子穿過之后熔點回升又重新凝固了。

拓展知識 捏雪球

你想過沒有，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，受到外部擠壓時熔點降低，發生熔化。捏成雪球后不再給它壓力，熔化的部分又重新結冰，把其余沒有融化的凍結成型，所以捏好后的雪球可以保持形狀。滾雪球時也是利用雪球本身重力，實現雪“熔化”到“凝固”的過程。

花樣滑冰與角動量守恒

花樣滑冰是一項集優雅，舞姿以及體育技巧于一體的極具觀賞性體育項目，選手往往在優美的音樂和高度的滑行中做個各種高難度的動作。

花樣滑冰里最有趣的物理現象是：運動員原地旋轉時，雙手展開時轉速不快，但將手收近身體時旋轉速度會越來越快。這是為什么？

這里面涉及到的物理概念有：角速度、角動量、角動量守恒。

知識點1 角速度

角速度是圓周運動中質點在Δt時間內轉過的角為Δθ，即為描述物體繞圓心轉動的快慢的物理量，用符號ω表示。

知識點2 角動量

角動量是指質點動量p對O點之動量矩（通常稱為角動量），簡記為L。當剛體繞定軸轉動時，其角動量等于：

其中的J為剛體繞軸的轉動慣量，有時也用I表示。這里需要強調的是，雖然不同形狀的剛體的轉動慣量計算方法不同，但從下表能看出，轉動慣量與旋轉半徑 r 有關，r 變大時，轉動慣量也變大。

注：角動量知識點是大學才學到的。

知識點3 角動量守恒

這個神奇的原理，不懂滑冰的人也可以體驗一下：一個人坐在能繞軸轉動的凳子（轉臺）上，手握啞鈴或其他重物，開始時平舉雙臂，使人和凳子一起以某固定角速度轉動起來。然后人迅速收縮雙臂，這時你會發現人轉的更快了！

如果物體所受合外力矩等于零，或者不受外力矩作用，物體的角動量保持不變，這個結論叫做角動量守恒。

用以上原理，咱們來解釋花滑旋轉模型：在光滑的冰面上旋轉起來時，若忽略摩擦力、空氣阻力，那么初始的角動量視為固定值，初始手臂伸展轉動慣量I。在身體收緊時，就是將旋轉半徑r變小的過程，即轉動慣量變小，根據角動量守恒，角速度自然就變大，所以就轉的越來越快啦！

張開雙臂，轉得慢；縮回雙臂，轉得快。

在失重環境中轉動沒有摩擦力影響，這個實驗更加容易成功，這可能是世界上最標準的角動量守恒實驗了，好羨慕哦。

冰壺比賽為什么要擦地？

冰壺運動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，短短十幾年的發展中成績斐然。

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，穩穩旋進圓心，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的多很多，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：一個系統不受外力或所受外力之和為零，這個系統的總動量保持不變。

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。

多說無益，做一道簡單的物理題：

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績輝煌，堪稱中國隊在冬奧會上的“王者之師”。

中國短道速滑隊

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一和第二枚金牌。

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。

因此在水平方向上，摩擦力f等于離心力vm/r。

知識點2 力矩平衡

除了力的平衡分析，接下來還要對力矩平衡進行分析。

如果滑冰轉彎時人的身體是直立的，上半身會因為慣性會做離心運動而被“甩出去”。你肯定有過這樣的經驗：車轉彎時，車內的乘客容易向外傾倒，這時候一般人的上半身會不自覺的向內傾斜做出“抵抗”。

不僅僅是滑冰運動員，摩托車過彎時也有明顯“壓彎”現象。

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

一通推導完畢，你會得到上面的式子。

知識點2 力矩平衡

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：

①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。

②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。

重力G與支持力F 的合力F提供了向心力N

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。