介紹
2022年北京冬奧會備受關注，極有可能出現在2022年高考、綜合評價、強基礎考試的試卷中。 你知道2022年北京冬奧會用到了哪些物理知識嗎？ 讓我們來看看！
01
冰刃和熔點
溜冰鞋是冰上運動的核心裝備之一。 速滑、花樣滑冰、冰球都離不開冰刀。 了解滑冰的人都知道，溜冰鞋的刀刃比較鋒利，甚至很危險。
2010年溫哥華冬奧會女子3000米接力比賽中，中國隊獲得金牌。 當隊員們慶祝并擁抱教練時，王蒙不小心暴露了隊友，隊友張輝的臉被割傷。 縫了十針。
如果你在網上搜索“冰刀刃劃傷”，你會發現，冰刀刃受傷的案例經常發生在比賽場上，甚至訓練場上。
那么問題來了，既然危險，為什么要把溜冰鞋做得那么鋒利呢？
簡單來說，冰刀刃設計得非常薄，首先是為了在開始推冰和加速時提供抓地力。 畢竟，刀片嵌入冰中，并在推動冰時提供垂直于刀片的反作用力。
另外，最常見的解釋是：增加與冰表面的壓力降低了冰的熔點，導致接觸點的冰融化成水膜以減少摩擦。
知識點1 干摩擦和濕摩擦
干摩擦是發生在固體之間的摩擦，濕摩擦是發生在固體與液體或氣體之間的摩擦。 在相同壓力下，后者的摩擦系數遠小于前者。
例如，為了減少機器之間的摩擦，工業上通常添加潤滑油，這利用了濕摩擦小的優點。 再比如，剛用濕拖把清理過的地面，由于類似的原理，所以非常滑。
冰的表面比大多數表面都光滑（據說表面有一層很薄的水膜），但對于滑冰來說還不夠。 如果能在冰表面撒上一層水，它的摩擦系數將會進一步降低。 小的。
但現在有一個問題。 如果真的把水灑在低溫冰面上，水很快就會凝固。 那我們該怎么辦呢？ 你不能在冰上撒潤滑劑吧？
這時候你就需要第二個知識點來幫你解答。
知識點2 冰的熔點和壓力
對于像冰這樣的晶體，融化時體積會變小。 當壓力較高時，水更容易變成體積較小的液體。 換句話說，它的熔點會降低。 這個問題可以從水的三相圖得到答案。
冰刃之所以做成鋒利的，是為了通過減少受力面積，增加與冰面的壓力，使原來接觸點的冰的熔點降低，很快融化，從而起到潤滑作用。 。 被冰刃劃過的冰面由于冰面壓力的消失而熔點上升，融化的水很快再次結冰。 這就是復冰現象。
在初中物理課上，老師可能會演示一個名為“繩索穿過冰”的物理實驗。
在這個實驗中，繩子被勒住的地方壓力很大，接觸點的冰由于熔點降低而融化。 當繩子穿過時，熔點上升并再次凝固。
拓展知識，捏雪球
你有沒有想過，為什么軟雪只要捏一下就能變成硬雪球？
雪是微小的冰晶。 當從外部擠壓時，熔點降低并熔化。 揉捏雪球后，不對其施加壓力，融化的部分再次凍結，其余未融化的部分凍結成型，因此捏捏后可以保持雪球的形狀。 滾雪球時，也是利用雪球本身的重力來實現雪的“融化”→“凝固”的過程。
02
花樣滑冰和角動量守恒
花樣滑冰是一項集優雅、舞蹈和運動技巧于一體的極具觀賞性的運動項目。 選手們常常在優美的音樂和高水平的滑冰中表演各種高難度動作。
花樣滑冰中最有趣的物理現象是：運動員原地旋轉時，雙手展開時旋轉速度并不快，但雙手靠近身體時旋轉速度卻越來越快。 這是為什么？
這里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
角速度是粒子在Δt時間內做圓周運動的旋轉角度，即Δθ。 它是描述物體繞圓心旋轉速度的物理量，用符號ω表示。
知識點2 角動量
角動量是指質點動量p相對于O點的動量矩（通常稱為角動量），縮寫為L。當剛體繞固定軸旋轉時英語作文，其角動量等于：
其中高中物理刀刃，J為剛體繞軸的轉動慣量，有時也表示為I。這里需要強調的是，雖然不同形狀的剛體轉動慣量的計算方法不同，但從下表可以看出，轉動慣量與旋轉半徑r有關。 當r變大時，轉動慣量也變大。
注：角動量的知識點是大學才學的。
知識點3 角動量守恒
如果物體上的總外力矩為零，或者沒有外力矩作用在其上，則該物體的角動量保持不變。 這個結論稱為角動量守恒。
利用以上原理，我們來解釋一下花樣滑冰旋轉模型：
在光滑的冰面上旋轉時，如果忽略摩擦力和空氣阻力，將初始角動量視為固定值，初始臂伸慣性矩為I。當身體收緊時，就是使半徑的過程轉動慣量r變小，即轉動慣量變小。 根據角動量守恒，角速度自然就變大，所以轉得越來越快！
這個神奇的原理，不會滑冰的人都能體驗到：
人坐在可以繞軸旋轉的凳子（轉盤）上，手里拿著啞鈴或其他重物，最初水平舉起雙臂，使人和凳子一起以固定的角速度旋轉。 然后人快速收縮雙臂，你會發現人轉得更快了！
值得一提的是，2020年12月9日，宇航員葉光復還在中國空間站“天宮課堂”上進行了角動量實驗；
張開雙臂慢慢轉動； 縮回手臂以加快轉動速度。
失重環境下的旋轉不受摩擦力的影響，使得這個實驗更容易成功。 這可能是世界上最標準的角動量守恒實驗了~
03
冰壺比賽時為什么要拖地板？
冰壺運動堪稱一項技巧與智力相結合的運動，被譽為冰上“國際象棋”。
中國冰壺隊成立于2003年，經過短短十多年的發展，取得了令人矚目的成績。
像往常一樣，我們來談談冰壺的物理原理。
知識點一：冰壺軌道表面不光滑
與速度滑冰和花樣滑冰不同，冰壺賽道的冰面十分奇特。 它不是一個平坦且光滑的表面。 甚至還有一層薄薄的冰粒，就像微小的“卵石”或“小腫塊”。
制冰機每次制冰時，都會將水滴噴灑在鏡面光滑的冰面上。 每個水滴的大小通常為2至3毫米。 當這些水滴變冷時，它們會迅速凝固成冰粒。 這個過程稱為“打點”。 其原因令人費解——減少摩擦。
學過初中物理的人都知道，物體表面越粗糙，動摩擦系數就越大。 那么為什么冰壺賽道的冰面上會有這么多“小凹凸”呢？ 這不是更“粗暴”嗎？ 這里涉及到的知識點前面已經提到過，就是“熔點和壓力”。
因為冰壺壺很重，每只約20公斤，壺底平坦，中心稍凹。 當放置在覆蓋有小冰粒的冰上時，接觸點處的壓力非常高，導致冰的熔點降低并融化。 水膜減少摩擦。
所以冰壺并不是在冰面上滑動，而是在這些“冰粒”上滑動。
如果做成光滑的平面，結果可能是冰壺底部的中心是凹的。 周圍接觸部位的冰融化后，整個冰壺石就會像吸盤一樣“吸”在冰上。
知識點2 為什么要“擦冰”？
相信很多人都在電視上看過冰壺比賽。 一名隊員將冰壺石推了出去，表情嚴肅。 冰壺石前有兩個人緊張地喊著，瘋狂地“擦地板”。 然后他們就看到冰壺石把對方的冰壺石撞開了。 穩穩地旋轉到了圓心，隊員們歡呼起來……
問題是，運動員為什么需要“擦地”呢？ 這個過程實際上被稱為“刷冰”，是冰壺運動的重要技術之一。
很多人認為刷冰就是清潔冰面，為冰壺運動“注入靈魂”。 事實上，情況并非如此。 刷冰的主要目的是通過冰刷的摩擦，提高冰面的溫度，使冰面融化，并在冰面上形成一層水膜，以減少摩擦。
在球場上，刷冰面的目的是讓冰壺石旋轉更少，滑得更遠。 刷冰的力度取決于您希望石頭停留的位置。 涉及的技巧比您想象的要多得多，這就是為什么該游戲被稱為“冰棋”。
知識點3：冰壺沖擊力與動量守恒
對于普通觀眾來說，冰壺比賽中最期待看到的就是冰壺運動員們的“精彩”碰撞。 冰壺撞擊模型是高中物理“動量守恒”和“碰撞”中的重要命題材料。
動量守恒定律是現代物理學三大基本守恒定律之一。 其基本描述是：如果一個系統不受外力作用或者外力之和為零，則系統的總動量保持不變。
m1v1+m2v2=m1v1ˊ+m2v2ˊ
考慮到冰壺石質量很大，滑動時遇到的阻力很小，可以近似理解為遵守動量守恒定律。
說再多也沒用。 我們來做一道簡單的物理題：
04
速滑運動“彎”的原因
該部分難度最大，涉及的比賽項目是短道速滑，是中國冬奧隊的有力“奪金點”。
了解冬奧會的人都知道，中國短道速滑隊戰績輝煌，堪稱中國隊冬奧會的“王者之隊”。
中國短道速滑隊
2002年美國鹽湖城冬奧會上，中國女子短道速滑運動員楊洋奪得500米和1000米冠軍。 這是中國冬奧會歷史上的第一枚和第二枚金牌。
2014年溫哥華冬奧會上，由王蒙、周洋、張慧、孫琳琳組成的中國女子短道速滑隊在主教練李艷的帶領下，奪得女子500米、1000米、1500米和女子短道速滑3000米接力賽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奪得500米冠軍。 含金量十足！
短道速滑比賽中，我最喜歡的一幕就是運動員的“彎道”超車。 要知道，短道速滑中，彎道約占總距離的50%。 能否掌握曲線技巧對于速滑來說至關重要。 運動員非常重要。
運動員在過彎時，身體總是向內大幅度傾斜，身體的一側幾乎接觸地面。 問題來了：
這個“彎曲”的目的是什么？ 有哪些物理原理？
如果用一句話來簡單解釋“彎曲”的原理，那就是重力和離心力的力矩平衡。 簡單來說就是“不彎腰就會被扔出去”。
知識點1 力平衡
運動員的滑冰轉彎被視為圓周運動。 此時，冰刀卡在冰上時受到的摩擦力提供了向心力。 為了便于研究，引入了另一種虛擬力，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
除了力平衡分析之外，接下來還必須分析力矩平衡。
如果人在滑行和轉身時身體直立，上半身就會因慣性產生的離心運動而被“甩出”。 你一定有過這樣的經歷：當汽車轉彎時，車內的乘客往往會向外摔倒。 這時，一般人的上半身會不自覺地向內傾斜來“抵抗”。
不僅是滑冰運動員，摩托車在過彎時也會出現明顯的“顛簸”現象。
如圖所示，為了保持平衡，以冰刀與地面的接觸點為圓心，重心力矩應等于離心力力矩。
經過一推導，就得到上面的公式↑↑↑
可見，如果轉彎時的速度很高，有兩種方法可以避免被拋出：
①增大轉彎半徑r：這也是機動車高速行駛時不能急轉彎的原因；
②加大傾斜角度θ：由于短道速滑比賽場地有固定的彎道，當運動員要求轉彎時，身體必須明顯向內傾斜。
需要補充一點的是：關于“壓力彎曲”現象，很多人將其原理等同于高中物理課本上的“火車轉彎”模型。 這是不嚴謹的，因為列車轉彎主要是通過內外軌的高度差來實現的。 此時的向心力是由鋼軌傾斜的“支撐力”和重力的合力提供的。
當滑冰者和摩托車手壓彎時，支撐力始終是垂直向上的。
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