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冬奥过后说冰壶 精选

已有 6449 次阅读 2014-2-24 19:17 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 物理, 冬奥会, 冰壶

历时17天的2014索契冬奥会终于在“四环变回五环”、邻国总统下台之后落下了帷幕,传说中的“中央冰壶电视台”又变回了CCTV-5体育频道。拜“冰壶电视台”所赐,这一届冬奥会我又看了十几场比较精彩的冰壶比赛,看到了早已熟悉了的王冰玉队(中国女子冰壶队)和刘锐队(中国男子冰壶队)在场上的拼搏,也见证了这一次男子冰壶队异军突起的空前战绩和女子冰壶队的落寞。在欣赏比赛的过程中,我等观众也在不断地进步,已经开始不时地做出自己的判断和分析了。当然,在关注欣赏之余,作为一个学物理出身的人,咱还得从物理的角度说说冰壶。

标准的冰壶是一个看起来有点儿像“5”(也难怪CCTV-5成了“冰壶台”)的大家伙。下面是用“名贵的”无云母花岗岩(全世界就俩产地)加工而成的表面非常光洁的“腰鼓”型石块,上面有提手和电子装置(如果过了前置线还不出手,或者出手后又被碰到,红灯就会亮起)。据说最初玩冰壶Game(可能是游戏而非比赛)被叫做“冰上溜石”。一局比赛两个队对抗,每队4人,每个人可以投掷两个冰壶,胜负看哪个队的壶离大本营的中心更近,计分依据获胜方靠近中心的壶的数目。因为冰壶很重,扫冰(实际是擦冰)也很费劲儿,所以冰壶比赛是力气活儿,要拼选手们的体力;因为冰壶的运动轨迹是可以考投壶手的投放速度、旋转方向和转速以及队友擦冰来进行精确的控制,所以冰壶比赛是个很有技巧性项目;还因为场上双方依次投出的少则几只、多则十几只冰壶会排列出复杂的阵型,而且冰壶之间发生碰撞后也会改变其运动轨迹,实现或者偏离投壶手的预期,所以冰壶更是一个很考验选手的智力、眼力的项目,很像台球斯诺克,甚至被形容为冰面上的“国际象棋”。

如果我们从物理的角度来说冰壶,先要从投壶说起。事实上,每一只壶的出手,都贯注着冰壶队此时此刻的战术意图。如果我们对投壶进行简单地分类,我按照屏幕上显示的统计数据,大概可以分成定点投壶(draw)和击打(takeout)。前者是让冰壶运动到自己设定的目标位置停下来,而后者则是让冰壶滑过去之后和场上的其他冰壶发生碰撞,在改变自身的运动状态的同时改变其他相继发生碰撞(可能远不止一只)冰壶的位置。如果我们看冰壶滑到大本营及其周边后的运动情况,又可细分为:

1)设置保护壶(“悄悄地打枪,进村地不要”,呆在大本营圆圈前面),目的是封锁对方投壶的线路;

2)旋壶入位,这是“悄悄地进村,打枪地不要”,要占个好的位置,争取得分的;

3)打定,与已经在场上的壶发生对心弹性碰撞(两只冰壶的质心连线与来壶的直线运动轨迹重合),来壶自己停下来,被撞冰壶按照自己来的方向飞走;

4)打甩,与已经在场上的冰壶发生非对心的弹性碰撞(质心连线与运动轨迹成一定角度),来壶改变运动方向和速度,被撞冰壶飞走;

5)粘壶,来壶刚好运动到某个在场上固定位置的冰壶前就停下来,或者二者发生了轻轻的碰撞,被撞壶却没被撞懂;

6)传击,高速运动的冰壶撞上一个壶之后,把很多动能传递给被撞冰壶,它再去撞别的冰壶。。。。。。

我们看这些冰壶的运动,或者想象可能的运动,就仿佛是在解一道道物理题。我们是大可以用高中学过的动量守恒定律和机械能守恒定律去求解的,这当中的物理似乎不难理解。真正有一定难度的,则是冰壶在投出后的运动轨迹。如果我们仔细观察王冰玉、刘锐们在投壶时的动作,我们会注意到他们是在瞄准前方指示方向的队友的指示位置后,单足蹬踏踏板后,用另一足单足滑行,推动冰壶前行,在前置线附近轻轻扭动弧把后出手的,也就是说,每只冰壶在出手那一刻,被同时赋予了一定的平动的质心速度和绕质心旋转的角速度。比赛看多了,有了点儿经验了,我们会很容易根据他们的动作,判断出这只壶将飞向何处。冰壶运动基本规律是,如果壶在出手时速度较慢,冰壶都会走出一条弯曲的弧线,弯曲的方向就是冰壶出手时旋转的方向;如果冰壶出手时的速度很快,则可能在没出现特别明显的弧线前就已经到达了碰撞的区域。

投壶的力量,或者说冰壶在出手时的速度和动能,是用所谓的“几区、哪条线”力量决定的。按照体育评论员和解说顾问的说法,就是冰壶投出后直接运行能够到达的位置。这个其实我们可以用动能定理来说明。假定比赛场地的摩察系数是确定的,则摩擦力确定,那么摩擦力的作用距离(即路径长度)和冰壶的动能成正比,因此可以用“底线力量”、“5区力量”之类的说法来指挥投壶手发力。如果冰壶在碰撞过程中损失的动能远远小于能够传递的动能,那么我们还可以根据用冰壶的“自由行程”(投掷力量)来判断发生碰撞后冰壶运动的距离,因为受动能定理的限制,几支距离之和不会大于冰壶预计的“自由行程”,这样就可以设计“打甩”、“传击”的线路了。

下一个问题,也是我没有十足把握的问题,就是为何冰壶会走出那样的一条弧线轨迹来。

因此冰壶会沿着投壶手赋予它的直线运动,随着冰壶越滑越远,速度也逐渐减慢,在过了靠近大本营的前置线后,会出现冰壶开始向旋转方向转弯、走出弧线的“下线”现象。也正是在此时,两位找来帮忙“干家务”的擦冰手开始很卖力气地“擦地”,利用大力而且很快的摩擦冰面,使冰壶前方的冰面发生表面凸起(这是制冰师的杰作)局部熔化,减小摩擦,这样可以把冰壶引导到他们开辟的线路上来,或者让冰壶再“多飞一会儿”。

冰壶运动到末段的拐弯,可能与冰壶底面与冰面(实际可能是冰面上的小凸起)在不同相对速度下的摩擦阻力差异有关。运动初期,在冰壶高速滑行时,冰壶内侧和外侧(按照冰壶运动轨迹弧线划分)受到的阻力相差不大,此时受到的摩擦都是向后的,对其轴线形成的力矩较小,形成的横向力也近似平衡,只对转动角速度产生点儿影响,而不影响质心的直线运动。在冰壶的平动速度减慢以后,冰壶底面与冰面之间的相对运动状况发生了微妙的变化,内侧的速度开始明显小于外侧的速度,导致内侧受到的阻力大于外侧,结果导致合阻力的作用点不再处于冰壶质心的正下方,而转移到了轨迹的内侧异面,这将造成冰壶的质心开始向内侧偏转,因此冰壶会在后期“下线”后即使没有人去擦冰也会走出一段弧线。这个过程,就像我们突然捏住了一个本来是绕自身轴线旋转的盘子的边缘,盘子会向被捏住的一侧旋转一样。

以上是我对冰壶原理的一些看法。最后,祝贺中国男子冰壶队取得的创造历史的好成绩!也希望有更多的国人能够关心冰壶这项有趣的运动。



 



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