攀岩保护技术的力学分析及教学建议

谈 强 李 荣

攀岩保护技术的力学分析及教学建议

谈 强1李 荣2

（1.苏州大学体育学院，江苏 苏州 215008；2.苏州大学东吴学院，江苏 苏州 215008）

文章对攀岩保护系统的各组成部分进行力学分析，辨明构成有效保护力各因素之间的相互关系，为攀岩保护实操教学提供理论依据，结合攀岩教学实践中常见的安全问题提供教学建议，以增强攀岩保护教学的合理性和有效性。

攀岩；保护；力学分析；教学建议

1 攀岩的保护方式

图1 上方保护示意图

图2 形成上方保护（下降）示意图

图3 下方保护示意图

图4 形成下方保护（下降）示意图

攀岩的保护一般分为利用保护装置的（速度赛常用的）上方保护（也称作顶绳保护）、（难度赛常用的）下方保护（也称为先锋保护）、他人保护和自我保护（抱石赛常用的）四种［4］。在上方保护和下方保护的整个过程中，形成有效保护时有三种受力情况，分别是静止悬挂、匀速下降、冲坠制动。

本文主要对上方和下方保护（见图1、2、3、4）进行力学分析和教学建议。

2 攀岩保护技术的力学分析及教学建议

2.1 有效保护力的本质

在整个保护系统中构成有效保护的力，从本质上讲，就是能使攀爬者不坠落或减小坠落速度的向上拉力，以对抗使攀爬者体重（重力）和加速坠落的冲坠力（见图5）。重力是地球对人的引力，在向上攀爬时是运动阻力，在攀爬者从岩壁上脱落时，重力使人向下坠落，形成向下的加速度，如果没有保护，结果将是攀爬者加速下坠最后冲击地面，造成伤害。所以保护的根本目的就是，保护者通过保护系统的操作，产生向上拉力，以对抗脱落后攀爬者所受的重力，阻止攀爬者快速冲击地面或避免急速制动，从而保证攀爬者的安全［5］。

2.2 岩壁悬挂部分的力学分析及相应教学建议

2.2.1重力（G）

重力（G）是攀爬者在运动中需要克服的最大阻力，也是造成攀岩运动损伤事故的主要因素。但对抗和克服重力就恰恰是攀岩运动的魅力所在，因此可以说重力造就了攀岩运动，也威胁着攀岩运动；而且由于重力的存在，才能保证保护系统中其他保护力的产生，换言之，保护系统是人们巧妙利用重力来对抗重力的杰构。当G和F1成为一对平衡力时，攀爬者处于静止悬挂或匀速下降状态（见图6），所以在保护教学中一般要求保护员体重大于等于攀爬者体重，在保护员体重明显小于攀爬者时需要与固定物连接或有第二人进行副保护，利用固定连接产生的拉力或第二人体重共同对抗重力。

2.2.2支持力（N）和向下拉力（F2）

当攀爬者脱落主绳受力拉紧时，主绳由于两端受力，因此对锁扣（或快挂）产生了压力，同时锁扣（或快挂）也对主绳产生了反作用力——支持力（N）。支持力的方向基本向上，略偏向于岩壁（见图7），攀登者体重越大，冲坠制动加速度越大，主绳折返夹角越小，则主绳所承受的拉力越大，锁扣对绳的支持力（N）越大。

向下拉力（F2）是保护者施于主绳的拉力，其方向指向保护者（见图7）。在保护的不同阶段，保护者通过拉紧或放松主绳，或者改变自身与锁扣（或快挂）投影点的距离（改变主绳折返夹角）来控制其大小和方向。

被告方律师看了看杂志社代表和作者，大家都摇了摇头。作者首先站了起来，其他被告和律师也站起来。作者流下了泪水，以痛悔的眼光看着竹韵：“对不起，竹韵女士，请接受我真庆的道歉和敬意。我愿意接受法律的任何处罚……”

在进行保护教学时，教师需要时刻提醒和关注保护者在五步收绳或給绳的动作中始终保持至少有一只手握紧制动端主绳，且保证主绳长度有足够富余。在学习保护的初期，必须增加副保护以免因慌乱制动端主绳脱手。保护员所处位置保持在保护点、攀爬者投影点连线正后方适当距离［6］，使主绳在保护点的折返角保持在30°左右，保证攀爬者脱落或下降时不落在保护员身上，也不能因为站位太过靠后而使F水增大把保护员拉向攀爬者下方。

2.2.3摩擦力（f）

护系统中，主要有两处产生摩擦力。一处在上方保护点主绳和锁扣的接触面之间，其大小为接触面所受正压力和两者之间的摩擦系数的乘积，方向与主绳运动方向相反（见图8）；另一处在主绳和保护器的接触面之间，其大小计算方法和力的方向与第一处相同。在摩擦系数不变时，正压力的大小是决定摩擦力大小的唯一变量，而正压力的大小又取决于主绳拉力（F2）大小和主绳的折返夹角或接触的主绳曲率，所以主绳拉力越大，主绳折返夹角越小，主绳在保护器上的曲率越大，产生的摩擦力就越大。

在攀爬者和保护者体重相当或保护者体重略低于攀爬者时，保护者可以通过适当靠近攀爬者投影点的方法（减小保护点主绳折返角）增大主绳与保护点的摩擦力，对抗攀爬者的体重和冲坠（见图9）。主绳在长时间使用后与锁扣的摩擦力会下降，一般起毛后要及时更新；主绳在湿度较高的情况下与锁扣摩擦力大幅增加，容易引起急速制动造成冲坠伤害，恶劣环境开展攀岩教学需谨慎检查保护装备。

2.2.4弹力（T）

由于主绳是动力绳，具有一定的弹力（T），在静止悬挂和匀速下降时，主绳根据所受拉力被动拉伸，并保持在一定长度，其大小为拉伸长度与弹性系数的乘积，方向是沿主绳受力两端向中心（见图10）。由于主绳的弹性系数是一个可变量，在一定的拉伸长度范围内，被拉伸长度越大，其弹性系数越大，产生的拉力也越大［7］。所以在发生冲坠（沿主绳方向拉力忽然增大）时，主绳被拉长并同时产生弹力，与向上拉力和摩擦力同时作用于攀爬者以减小其向下加速度，当冲坠速度为零（最低点）时，主绳由于在拉伸过程中贮存了收缩势能，会形成向上的反弹以释放收缩势能，并经数次反复后恢复到静止悬挂时的长度。

主绳的弹性在快速冲坠减速过程中，使攀爬者受力制动时间增加，瞬间所受冲力变小，减小了攀爬者冲坠制动受伤的可能性。在攀爬者主动脱离岩壁时应该适当收紧主绳，减小其冲坠距离再匀速放绳下降。当冲坠距离较大时应适度拉紧主绳并逐渐放绳（或靠近攀爬者投影点），增大其下坠制动距离和时间，防止瞬间制动受伤。

2.2.5向上拉力（F1）

向上拉力F1是一个F（支持力N、向下拉力F2、摩擦力f和弹力T的合力）的分力（见图11），其方向垂直向上，对抗重力。当攀爬者脱落后，如果F1与G大小相等，则攀爬者静止悬挂或匀速下降（常见于顶绳保护）；如果脱落后向下加速下坠（常见于先锋保护），则F1小于G；但随着主绳被动拉长， N、F2、f和T逐渐增大，F随之增大， F1也逐渐增大，并逐渐超过G的大小，形成向上的加速度（制动），最终完成制动。

2.3 地面牵引部分的力学分析及相应教学建议

从图12、13、14可知，主绳通过下降器与保护者进行连接，保护者通过收紧主绳利用体重G1对主绳产生拉力（F2）。地面牵引部分产生的向后下拉力F3（和F′2构成一对平衡力，F′2大小和F2大小相等方向相反），身体对主绳的拉力（F3）大小，与保护者的体重G1的大小以及前脚（A点）站立的形态和位置有关。当保护者位置不变时，要使身体对主绳的拉力F3能与F′2构成平衡力，而且要使保护者位置相对固定，则G1越大、B点（重心投影点）与前脚A的距离越远，保护效果越好。其次，当保护者越靠近上方保护点投影点，则F3与重垂线的夹角越小，G1转化为F3的比例越大，更不易形成围绕前脚A的向前移动和翻转（F转）。

在保护教学过程中要注意以下几点：第一，保护者应站于攀爬者和保护点投影点连线的延长线后方，密切观察攀爬者线路的变化随时调整保护位置；第二，侧对攀爬者两脚左右开立，前脚顶地后腿微屈重心下降后移，以防被拉着撞向岩壁或与下坠的攀爬者相撞；第三，制动端是保护者利用自身体重形成有效保护力的关键抓手，保证制动端绝对掌控的同时根据情况握紧主绳或松手减小和主绳的摩擦力对保护的效果至关重要。

3 教学建议小结

3.1 体重

攀爬者的体重G越大，向上拉力F1也要随之增大，所以保护者的体重也要随之增大才能满足保护的要求。因此，在选择保护者时，尽量选择比攀爬者体重更大或体重相当的人进行保护更为安全。如果保护者的体重不够大，要注意保护者的固定，可以用扁带连接保护者和地面固定附着物，确保双方的安全。

3.2 站位

攀爬者、保护者和保护点三者位于同一垂直平面内，可以避免主绳在受力时产生水平的摆荡，减少攀爬者撞击岩壁受伤的几率，所以保护者要根据攀爬者的攀登路线不断调整自己的位置，使三者的受力保持在同一垂直平面之内。第二，保护者要始终保持前后脚的开度，并保持重心降低靠后，防止在突然受力时形成围绕前脚的向前翻转，失去对攀爬者下落速度和幅度的控制。第三，当攀爬者体重明显大于保护者时，靠近保护点垂线落点可以减小主绳在保护点的折返角，从而使支持力N和向下拉力F2的垂直分力增大，并同时增大主绳和保护点的摩擦力f，形成更大的向上拉力F1来对抗G，完成有效保护。

3.3 收、放绳

在五步保护法中，第一步是收回或放出主绳，这时保护者和主绳的联系最不紧密，所以第二步锁紧主绳的动作跟进要迅速。这就要求保护者尽可能地缩短收绳和放绳的时间，因此保护者的保护手法要熟练而果断，能保持一贯的警觉和责任感，对攀爬者的动作和意图要有良好的预判能力，随时进行必要沟通，应对攀爬者可能的坠落。

3.4 冲坠和下降

在发生冲坠时，特别是较长距离的冲坠，要避免突然地制动造成对攀爬者的伤害，所以保护者要学会逐步增加拉力，延长制动时间的方法。当攀爬者下落时，被动地靠近保护点垂线落点，保持手与主绳的适当摩擦并逐渐放出主绳，可以加大缓冲的时间和距离，充分发挥主绳的弹力，使制动的过程更为柔和和安全。下降时保护者要戴手套操作防止因摩擦擦伤和烫伤，保持握绳适宜松紧度尽量使下降速度保持匀速可控，不可随意松、紧主绳戏弄下降者。

3.5 其他

攀岩保护技术严格遵循基本的力学原理，攀岩安全严重依赖于经专业认证的保护装备［8］［9］和攀、保双方对装备的正确合理使用与维护。教学前要对场地和装备认真检查，以防老化、损坏装备影响力学性能；向学生阐明保护动作的力学原理，使其“知其所以然”以增强其对保护技术的认识和掌握；保持高度的责任心，时刻警惕和纠正违规操作，秉承“安全第一”的教学理念［10］，坚持从 “徒手模仿----平地（低空）模拟----双人保护----单人保护”逐渐过渡的教学步骤，让攀岩保护真正成为攀岩技术精进的有力保障。

[1] 蓝婷婷,董翔宇.人工岩壁攀岩运动的安全问题分析与探究[J].文体用品与科技,2020(3):247-248.

[2]吴志刚.攀岩[M].第一版.广东:广东旅游出版社,2004.

[3]黄琦.攀岩教学中克服学生恐惧心理的策略研究[J].体育科技文献通报,2019,27(9):145-147.

[4]刘一荻.攀岩运动安全保护技术的研究[J].中国多媒体与网络教学学报(电子版),2017(4):273.

[5]梁昆淼.力学[M].第4版.北京:高等教育出版社,1995.

[6]高等学校新世纪体育教材编写委员会.攀岩[M].北京:高等教育出版社，2006，5（1）:28-36.

[7]杨毅.揭秘攀岩运动中蕴含的物理学知识[J].中学物理教学参考,2018,47(10):82-83.

[8]王立群.高校攀岩运动课程的安全问题研究[J].冰雪体育创新研究,2021(15):69-70.

[9]胡月.高校开展攀岩课程安全保障模式研究：基于天津体育学院攀岩课程开展经验探析.

[10]刘明,吴叶海,潘雯雯.高校攀岩运动安全保障机制的研究[J].文体用品与科技,2020(5):245-246.

Mechanical Analysis and Teaching Suggestions of Rock Climbing Protection Techniques

TAN Qiang , etal.

(Soochow University, Suzhou 215008, Jiangsu, China)

谈强（1973—），硕士，讲师，研究方向：体育教学与训练。

李荣（1973—），本科，讲师，研究方向：体育教学与训练。