北京冬奥会里的物理考点

冰刀与熔点

冰刀是冰上运动的核心装备之一，速度滑冰、花样滑冰、冰球运动都离不开冰刀。了解滑冰的人都知道，冰刀的刀刃是比较锋利的，甚至说是比较危险的。

2010温哥华冬奥会女子3000米接力赛，中国代表队勇夺金牌，在队员们忘情庆祝，与教练拥抱过程中，王濛无意间给队友破了相，队友张会的脸被割伤，事后缝了10针。

你去网上搜一下“冰刀划伤”就会发现，冰刀伤人的案例在赛场上，甚至是训练场上时常发生。

那么问题来了，既然危险，为什么要把冰刀做的这么锋利呢？

简单来说，冰刀设计的很薄，首先是为了蹬冰启动、加速时的抓地力。毕竟刀刃是嵌入冰里的，蹬冰时可以提供一个垂直于冰刀的反作用力。

除此之外，最常见的解释是：增大与冰面的压强从而降低冰的熔点，使得接触点的冰熔化成水膜从而减小摩擦。

知识点1 干摩擦与湿摩擦

干摩擦是发生在固体与固体之间的摩擦，湿摩擦是发生在固体与液体或气体之间的摩擦，相同压力下，后者的摩擦系数比前者小很多。

比如，为了减小机械之间的摩擦，工业上通常会加润滑油，这就是利用湿摩擦较小的特点。再比如，刚被湿拖把清扫过的地面非常的滑，也是因为利用了类似的原理。

冰的表面，比大多数的物体表面都要光滑（据说表层有一层很薄的水膜），但是对于滑冰而言还不够，如果能在冰的表面撒一层水，其摩擦系数会进一步减小。

但现在存在一个问题，如果真的在低温冰面上洒水，水也会很快凝固。那怎么办呢？总不能在冰面上洒润滑油吧？

这时候就需要第二个知识点帮你解答。

知识点2 冰的熔点与压强

对于冰这种晶体来讲，熔化时体积是变小的，在压强比较大的时候，水更倾向变为体积更小的液态，换句话说其熔点会降低。这一点，可以从水的三相图中得到答案。

冰刀之所以做得锋利，是为了通过减小受力面积从而增大与冰面的压强，如此原来接触点部分的冰熔点降低会迅速熔化，从而起到润滑作用。划过的冰面，因为冰刀对冰面压强的消失熔点回升，熔化后的水又迅速结冰了，这就是复冰现象。

在初中物理课中，老师可能会演示一个叫做“绳子穿冰块”的物理实验。

这个实验中，被绳子勒住的地方压强大，接触处的冰因熔点降低而熔化，当绳子穿过之后熔点回升又重新凝固了。

拓展知识 捏雪球

你想过没有，原本松软的雪，为什么捏一下就可以变成硬的雪球？

雪是微小的冰晶，受到外部挤压时熔点降低，发生熔化。捏成雪球后不再给它压力，熔化的部分又重新结冰，把其余没有融化的冻结成型，所以捏好后的雪球可以保持形状。滚雪球时也是利用雪球本身重力，实现雪“熔化”到“凝固”的过程。

花样滑冰与角动量守恒

花样滑冰是一项集优雅，舞姿以及体育技巧于一体的极具观赏性体育项目，选手往往在优美的音乐和高度的滑行中做个各种高难度的动作。

花样滑冰里最有趣的物理现象是：运动员原地旋转时，双手展开时转速不快，但将手收近身体时旋转速度会越来越快。这是为什么？

这里面涉及到的物理概念有：角速度、角动量、角动量守恒。

知识点1 角速度

角速度是圆周运动中质点在Δt时间内转过的角为Δθ，即为描述物体绕圆心转动的快慢的物理量，用符号ω表示。

知识点2 角动量

角动量是指质点动量p对O点之动量矩（通常称为角动量），简记为L。当刚体绕定轴转动时，其角动量等于：

其中的J为刚体绕轴的转动惯量，有时也用I表示。这里需要强调的是，虽然不同形状的刚体的转动惯量计算方法不同，但从下表能看出，转动惯量与旋转半径 r 有关，r 变大时，转动惯量也变大。

注：角动量知识点是大学才学到的。

知识点3 角动量守恒

这个神奇的原理，不懂滑冰的人也可以体验一下：一个人坐在能绕轴转动的凳子（转台）上，手握哑铃或其他重物，开始时平举双臂，使人和凳子一起以某固定角速度转动起来。然后人迅速收缩双臂，这时你会发现人转的更快了！

如果物体所受合外力矩等于零，或者不受外力矩作用，物体的角动量保持不变，这个结论叫做角动量守恒。

用以上原理，咱们来解释花滑旋转模型：在光滑的冰面上旋转起来时，若忽略摩擦力、空气阻力，那么初始的角动量视为固定值，初始手臂伸展转动惯量I。在身体收紧时，就是将旋转半径r变小的过程，即转动惯量变小，根据角动量守恒，角速度自然就变大，所以就转的越来越快啦！

张开双臂，转得慢；缩回双臂，转得快。

在失重环境中转动没有摩擦力影响，这个实验更加容易成功，这可能是世界上最标准的角动量守恒实验了，好羡慕哦。

冰壶比赛为什么要擦地？

冰壶运动可称其之为集技巧与智慧于一体的体育运动，被大家誉为冰上的“国际象棋”。

中国冰壶队于2003年成立，短短十几年的发展中成绩斐然。

知识点1 冰壶赛道表面不光滑

与速度滑冰、花样滑冰不同，冰壶赛道冰面非常奇特，并不是平整光滑的表面，甚至还有一层薄薄的冰粒，如同细小的“鹅卵石”，或“小疙瘩”。

制冰师每次在制冰时，会在光滑如镜的冰面上喷洒水珠，每一颗水珠通常在2到3毫米大小，这些水珠遇冷迅速凝固成冰粒，此过程被称之为“打点”。而这样做的原因让人费解——为了减小摩擦。

学过初中物理的人都知道，物体表面越粗糙，动摩擦系数越大。那为什么冰壶赛道冰面要做这么多的“小疙瘩”呢？这不是更“粗糙”了吗？这里涉及到的知识点，曾经讲过，即“熔点与压强”。

因为冰壶很沉，大约20千克一个，壶底是平面，中心凹进去一点，放到铺满小冰粒的冰面上，接触点的压强很大，导致冰的熔点降低而熔化，熔化后的水膜可以减小摩擦。

所以冰壶并不是在冰面上滑行，而是在这些“冰粒”上滑行。

如果做成光滑的平面，可能会出现这样的结果：冰壶底面中间内凹，四周接触部分的冰熔化后，整个冰壶会如同吸盘一样“吸”在冰面上。

知识点2 为什么要“擦冰”？

相信很多人在电视上看过冰壶比赛，一位队员表情严肃的推出冰壶，冰壶前方还有两位紧张的大喊并且疯狂“擦地板”，然后看见冰壶撞开对手冰壶，稳稳旋进圆心，队员欢呼。

问题来了，运动员为什么要“擦地板”呢？这个过程实际叫做“刷冰”，是冰壶比赛重要技术之一。

很多人以为，刷冰是为了清扫冰面，顺便给冰壶“注入灵魂”，实际上并不是。刷冰的主要目的在于，通过冰刷的摩擦，使冰面温度升高，造成冰面熔化，在冰表面形成一层水膜，减小摩擦力。

赛场上，刷冰面的意义就在于让冰壶旋转更少并滑得更远。而刷冰面的强弱程度则取决于你想让冰壶留在什么位置。这里面的技巧可比你想象的多很多，这也是该运动会被称作“冰上象棋”的原因。

知识点3 冰壶撞击与动量守恒

对于普通观众而言，在冰壶比赛上最期待看到的就是冰壶们的“精彩”撞击。而冰壶撞击模型，是高中物理“动量守恒”和“碰撞”中的重要命题素材。

动量守恒定律是现代物理学中的三大基本守恒定律之一，基本描述为：一个系统不受外力或所受外力之和为零，这个系统的总动量保持不变。

考虑到冰壶质量很大，滑行过程中所受阻力很小，因此可以近似理解为符合动量守恒定律。

多说无益，做一道简单的物理题：

速度滑冰“压弯”的原因

本部分难度最大，而涉及到的比赛项目是中国冬奥会队伍的强势“夺金点”——短道速滑。

了解冬奥会的人都知道，中国的短道速滑队战绩辉煌，堪称中国队在冬奥会上的“王者之师”。

中国短道速滑队

2002年美国盐湖城冬奥会，中国女子短道速滑运动员杨扬获得500米、1000米冠军，这是中国冬奥会金牌史第一和第二枚金牌。

2014年温哥华冬奥会上，在主教练李琰的带领下，由王濛、周洋、张会、孙琳琳组成的中国女子短道速滑队，包揽了女子500米、1000米、1500米和3000米接力女子短道速滑项目的全部四枚金牌，创造了历史。

2018年平昌冬奥会，中国短道速滑队武大靖获得500米冠军。含金量十足！

在短道速滑比赛途中，个人最喜欢的场面就是运动员们的“弯道”超车，要知道短道速滑中弯道大约占总距离的50%，能否掌握弯道技巧对于速滑运动员非常重要。

运动员们过弯道时，身体总是大幅度向内倾斜，一边的身体几乎贴着地面。问题来了：这种“压弯”的目的是什么？物理原理又是什么呢？

如果用一句话简单解释“压弯”原理，就是重力与离心力的力矩平衡，说的再简单点就是“不压弯，会被甩出去”。

知识点1 力平衡

运动员滑冰转弯看作圆周运动，此时冰刀卡在冰面上时受到的摩擦力提供向心力。为了方便研究，引入了另一个虚拟的力，即“离心力”，其大小与向心力相等，方向相反。

如下图，讨论力平衡问题。

因此在水平方向上，摩擦力f等于离心力vm/r。

知识点2 力矩平衡

除了力的平衡分析，接下来还要对力矩平衡进行分析。

如果滑冰转弯时人的身体是直立的，上半身会因为惯性会做离心运动而被“甩出去”。你肯定有过这样的经验：车转弯时，车内的乘客容易向外倾倒，这时候一般人的上半身会不自觉的向内倾斜做出“抵抗”。

不仅仅是滑冰运动员，摩托车过弯时也有明显“压弯”现象。

如图，为了保持平衡，以冰刀和地面接触点为圆心，重力的力矩应该等于离心力的力矩。

一通推导完毕，你会得到上面的式子。

知识点2 力矩平衡

可以看出，如果转弯时的速度很大，为了不被甩出去有两种方法：

①增大转弯半径r：这也是机动车在高速行驶时不能急转弯的原因。

②增大倾斜角度θ：因为短道速滑的比赛场地弯道固定，所以运动员告诉转弯时，必然要身体会大幅向内倾斜。

重力G与支持力F 的合力F提供了向心力N

需要补充一点：关于“压弯”现象，很多人会把它的原理等效为高中物理教科书上的“火车转弯”模型。这是不严谨的，因为火车转弯主要靠内外侧铁轨的高度差实现，这时是靠铁轨倾斜的“支持力”和重力的合力来提供向心力。

而滑冰运动员、摩托车手压弯时，支持力一直是竖直向上的。