2022北京冬奧會中的物理考點，速收藏!
來源：新高考 2022-02-24 16:26:19
冰刀與熔點
冰刀是冰上運(yùn)動的核心裝備之一，速度滑冰、花樣滑冰、冰球運(yùn)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，事后縫了十針。
你去網(wǎng)上搜一下“冰刀劃傷”就會發(fā)現(xiàn)，冰刀傷人的案例在賽場上，甚至是訓(xùn)練場上時常發(fā)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(shè)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(qiáng)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(fā)生在固體與固體之間的摩擦，濕摩擦是發(fā)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(shù)比前者小很多。
比如，為了減小機(jī)械之間的摩擦，工業(yè)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，也是因為了類似的原理。
冰的表面，比大多數(shù)的物體表面都要光滑（據(jù)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(shù)會進(jìn)一步減小。
但現(xiàn)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(qiáng)
對于冰這種晶體來講，熔化時體積是變小的，在壓強(qiáng)比較大的時候，水更傾向變?yōu)轶w積更小的液態(tài)，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(qiáng)，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(qiáng)的消失熔點回升，熔化后的水又迅速結(jié)冰了，這就是復(fù)冰現(xiàn)象。
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(fā)生熔化。捏成雪球后不再給它壓力，熔化的部分又重新結(jié)冰，把其余沒有融化的凍結(jié)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(xiàn)雪“熔化”→“凝固”的過程。
花樣滑冰與角動量守恒
花樣滑冰是一項集優(yōu)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(yōu)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(xiàn)象是：運(yùn)動員原地旋轉(zhuǎn)時，雙手展開時轉(zhuǎn)速不快，但將手收近身體時旋轉(zhuǎn)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(yùn)動中質(zhì)點在Δt時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角為Δθ，即為描述物體繞圓心轉(zhuǎn)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(zhì)點動量p對O點之動量矩（通常稱為角動量），簡記為L。當(dāng)剛體繞定軸轉(zhuǎn)動時，其角動量等于：
其中的 J 為剛體繞軸的轉(zhuǎn)動慣量，有時也用 I 表示。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，雖然不同形狀的剛體的轉(zhuǎn)動慣量計算方法不同，但從下表能看出，轉(zhuǎn)動慣量與旋轉(zhuǎn)半徑r有關(guān)，r變大時，轉(zhuǎn)動慣量也變大。
注：角動量知識點是大學(xué)才學(xué)到的。
知識點3 角動量守恒
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(jié)論叫做角動量守恒。
用以上原理，咱們來解釋花滑旋轉(zhuǎn)模型：
在光滑的冰面上旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量I。在身體收緊時，就是將旋轉(zhuǎn)半徑r變小的過程，即轉(zhuǎn)動慣量變小，根據(jù)角動量守恒，角速度自然就變大，所以就轉(zhuǎn)的越來越快啦！
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(zhuǎn)動的凳子（轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動起來。然后人迅速收縮雙臂，這時你會發(fā)現(xiàn)人轉(zhuǎn)的更快了！
值得一提的是，在2020年12月9日的中國空間站《天宮課堂》上，航天員葉光富也做了一個角動量實驗；
張開雙臂，轉(zhuǎn)得慢；縮回雙臂，轉(zhuǎn)得快。
在失重環(huán)境中轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)的角動量守恒實驗了，好羨慕哦~
冰壺比賽為什么要擦地？
冰壺可稱其之為集技巧與智慧于一體的體育運(yùn)動，被大家譽(yù)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(yùn)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(xì)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(fèi)解——為了減小摩擦。
WHAT？
學(xué)過初中物理的人都知道，物體表面越粗糙，動摩擦系數(shù)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(jīng)講過，即“熔點與壓強(qiáng)”。
因為冰壺很沉，大約20千克一個，壺底是平面，中心凹進(jìn)去一點，放到鋪滿小冰粒的冰面上，接觸點的壓強(qiáng)很大，導(dǎo)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(xiàn)這樣的結(jié)果：冰壺底面中間內(nèi)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(yán)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(jìn)圓心，隊員歡呼······
問題來了，運(yùn)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(shù)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(zhuǎn)更少并滑得更遠(yuǎn)。而刷冰面的強(qiáng)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(yùn)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(xiàn)代物理學(xué)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(zhì)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。
在短道速滑比賽途中，個人最喜歡的場面就是運(yùn)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(yùn)動員非常重要。
運(yùn)動員們過彎道時，身體總是大幅度向內(nèi)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(yùn)動員滑冰轉(zhuǎn)彎看作圓周運(yùn)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v2m/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(jìn)行分析。
如果滑冰轉(zhuǎn)彎時人的身體是直立的，上半身會因為慣性會做離心運(yùn)動而被“甩出去”。你肯定有過這樣的經(jīng)驗：車轉(zhuǎn)彎時，車內(nèi)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(nèi)傾斜做出“抵抗”。
不僅僅是滑冰運(yùn)動員，摩托車過彎時也有明顯“壓彎”現(xiàn)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(yīng)該等于離心力的力矩。
一通推導(dǎo)完畢，你會得到上面的式子↑↑↑
可以看出，如果轉(zhuǎn)彎時的速度很大，為了不被甩出去有兩種方法：
①增大轉(zhuǎn)彎半徑r：這也是機(jī)動車在高速行駛時不能急轉(zhuǎn)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(yùn)動員告訴轉(zhuǎn)彎時，必然要身體會大幅向內(nèi)傾斜。
需要補(bǔ)充一點：關(guān)于“壓彎”現(xiàn)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(zhuǎn)彎”模型。這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模驗榛疖囖D(zhuǎn)彎主要靠內(nèi)外側(cè)鐵軌的高度差實現(xiàn)，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(yùn)動員、摩托車手壓彎時，支持力一直是豎直向上的
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