介紹
2022年北京冬奧會(huì)備受關(guān)注，極有可能出現(xiàn)在2022年高考、綜合評(píng)價(jià)、強(qiáng)基礎(chǔ)考試的試卷中。 你知道2022年北京冬奧會(huì)用到了哪些物理知識(shí)嗎？ 讓我們來(lái)看看！
01
冰刃和熔點(diǎn)
溜冰鞋是冰上運(yùn)動(dòng)的核心裝備之一。 速滑、花樣滑冰、冰球都離不開(kāi)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(xiǎn)。
2010年溫哥華冬奧會(huì)女子3000米接力比賽中，中國(guó)隊(duì)獲得金牌。 當(dāng)隊(duì)員們慶祝并擁抱教練時(shí)，王蒙不小心暴露了隊(duì)友，隊(duì)友張輝的臉被割傷。 縫了十針。
如果你在網(wǎng)上搜索“冰刀刃劃傷”，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，冰刀刃受傷的案例經(jīng)常發(fā)生在比賽場(chǎng)上，甚至訓(xùn)練場(chǎng)上。
那么問(wèn)題來(lái)了，既然危險(xiǎn)，為什么要把溜冰鞋做得那么鋒利呢？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，冰刀刃設(shè)計(jì)得非常薄，首先是為了在開(kāi)始推冰和加速時(shí)提供抓地力。 畢竟，刀片嵌入冰中，并在推動(dòng)冰時(shí)提供垂直于刀片的反作用力。
另外，最常見(jiàn)的解釋是：增加與冰表面的壓力降低了冰的熔點(diǎn)，導(dǎo)致接觸點(diǎn)的冰融化成水膜以減少摩擦。
知識(shí)點(diǎn)1 干摩擦和濕摩擦
干摩擦是發(fā)生在固體之間的摩擦，濕摩擦是發(fā)生在固體與液體或氣體之間的摩擦。 在相同壓力下，后者的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于前者。
例如，為了減少機(jī)器之間的摩擦，工業(yè)上通常添加潤(rùn)滑油，這利用了濕摩擦小的優(yōu)點(diǎn)。 再比如，剛用濕拖把清理過(guò)的地面，由于類(lèi)似的原理，所以非常滑。
冰的表面比大多數(shù)表面都光滑（據(jù)說(shuō)表面有一層很薄的水膜），但對(duì)于滑冰來(lái)說(shuō)還不夠。 如果能在冰表面撒上一層水，它的摩擦系數(shù)將會(huì)進(jìn)一步降低。 小的。
但現(xiàn)在有一個(gè)問(wèn)題。 如果真的把水灑在低溫冰面上，水很快就會(huì)凝固。 那我們?cè)撛趺崔k呢？ 你不能在冰上撒潤(rùn)滑劑吧？
這時(shí)候你就需要第二個(gè)知識(shí)點(diǎn)來(lái)幫你解答。
知識(shí)點(diǎn)2 冰的熔點(diǎn)和壓力
對(duì)于像冰這樣的晶體，融化時(shí)體積會(huì)變小。 當(dāng)壓力較高時(shí)，水更容易變成體積較小的液體。 換句話(huà)說(shuō)，它的熔點(diǎn)會(huì)降低。 這個(gè)問(wèn)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(guò)減少受力面積，增加與冰面的壓力，使原來(lái)接觸點(diǎn)的冰的熔點(diǎn)降低，很快融化，從而起到潤(rùn)滑作用。 。 被冰刃劃過(guò)的冰面由于冰面壓力的消失而熔點(diǎn)上升，融化的水很快再次結(jié)冰。 這就是復(fù)冰現(xiàn)象。
在初中物理課上，老師可能會(huì)演示一個(gè)名為“繩索穿過(guò)冰”的物理實(shí)驗(yàn)。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，繩子被勒住的地方壓力很大，接觸點(diǎn)的冰由于熔點(diǎn)降低而融化。 當(dāng)繩子穿過(guò)時(shí)，熔點(diǎn)上升并再次凝固。
拓展知識(shí)，捏雪球
你有沒(méi)有想過(guò)，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(dāng)從外部擠壓時(shí)，熔點(diǎn)降低并熔化。 揉捏雪球后，不對(duì)其施加壓力，融化的部分再次凍結(jié)，其余未融化的部分凍結(jié)成型，因此捏捏后可以保持雪球的形狀。 滾雪球時(shí)，也是利用雪球本身的重力來(lái)實(shí)現(xiàn)雪的“融化”→“凝固”的過(guò)程。
02
花樣滑冰和角動(dòng)量守恒
花樣滑冰是一項(xiàng)集優(yōu)雅、舞蹈和運(yùn)動(dòng)技巧于一體的極具觀賞性的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。 選手們常常在優(yōu)美的音樂(lè)和高水平的滑冰中表演各種高難度動(dòng)作。
花樣滑冰中最有趣的物理現(xiàn)象是：運(yùn)動(dòng)員原地旋轉(zhuǎn)時(shí)，雙手展開(kāi)時(shí)旋轉(zhuǎn)速度并不快，但雙手靠近身體時(shí)旋轉(zhuǎn)速度卻越來(lái)越快。 這是為什么？
這里涉及到的物理概念有：角速度、角動(dòng)量、角動(dòng)量守恒。
知識(shí)點(diǎn)1 角速度
角速度是粒子在Δt時(shí)間內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角度，即Δθ。 它是描述物體繞圓心旋轉(zhuǎn)速度的物理量，用符號(hào)ω表示。
知識(shí)點(diǎn)2 角動(dòng)量
角動(dòng)量是指質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量p相對(duì)于O點(diǎn)的動(dòng)量矩（通常稱(chēng)為角動(dòng)量），縮寫(xiě)為L(zhǎng)。當(dāng)剛體繞固定軸旋轉(zhuǎn)時(shí)英語(yǔ)作文，其角動(dòng)量等于：
其中高中物理刀刃，J為剛體繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有時(shí)也表示為I。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，雖然不同形狀的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方法不同，但從下表可以看出，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與旋轉(zhuǎn)半徑r有關(guān)。 當(dāng)r變大時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也變大。
注：角動(dòng)量的知識(shí)點(diǎn)是大學(xué)才學(xué)的。
知識(shí)點(diǎn)3 角動(dòng)量守恒
如果物體上的總外力矩為零，或者沒(méi)有外力矩作用在其上，則該物體的角動(dòng)量保持不變。 這個(gè)結(jié)論稱(chēng)為角動(dòng)量守恒。
利用以上原理，我們來(lái)解釋一下花樣滑冰旋轉(zhuǎn)模型：
在光滑的冰面上旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果忽略摩擦力和空氣阻力，將初始角動(dòng)量視為固定值，初始臂伸慣性矩為I。當(dāng)身體收緊時(shí)，就是使半徑的過(guò)程轉(zhuǎn)動(dòng)慣量r變小，即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變小。 根據(jù)角動(dòng)量守恒，角速度自然就變大，所以轉(zhuǎn)得越來(lái)越快！
這個(gè)神奇的原理，不會(huì)滑冰的人都能體驗(yàn)到：
人坐在可以繞軸旋轉(zhuǎn)的凳子（轉(zhuǎn)盤(pán)）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(zhuǎn)。 然后人快速收縮雙臂，你會(huì)發(fā)現(xiàn)人轉(zhuǎn)得更快了！
值得一提的是，2020年12月9日，宇航員葉光復(fù)還在中國(guó)空間站“天宮課堂”上進(jìn)行了角動(dòng)量實(shí)驗(yàn)；
張開(kāi)雙臂慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)； 縮回手臂以加快轉(zhuǎn)動(dòng)速度。
失重環(huán)境下的旋轉(zhuǎn)不受摩擦力的影響，使得這個(gè)實(shí)驗(yàn)更容易成功。 這可能是世界上最標(biāo)準(zhǔn)的角動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)了~
03
冰壺比賽時(shí)為什么要拖地板？
冰壺運(yùn)動(dòng)堪稱(chēng)一項(xiàng)技巧與智力相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)，被譽(yù)為冰上“國(guó)際象棋”。
中國(guó)冰壺隊(duì)成立于2003年，經(jīng)過(guò)短短十多年的發(fā)展，取得了令人矚目的成績(jī)。
像往常一樣，我們來(lái)談?wù)劚鶋氐奈锢碓怼?span style="display:none">Lfk物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
知識(shí)點(diǎn)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(gè)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(jī)每次制冰時(shí)，都會(huì)將水滴噴灑在鏡面光滑的冰面上。 每個(gè)水滴的大小通常為2至3毫米。 當(dāng)這些水滴變冷時(shí)，它們會(huì)迅速凝固成冰粒。 這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為“打點(diǎn)”。 其原因令人費(fèi)解——減少摩擦。
學(xué)過(guò)初中物理的人都知道，物體表面越粗糙，動(dòng)摩擦系數(shù)就越大。 那么為什么冰壺賽道的冰面上會(huì)有這么多“小凹凸”呢？ 這不是更“粗暴”嗎？ 這里涉及到的知識(shí)點(diǎn)前面已經(jīng)提到過(guò)，就是“熔點(diǎn)和壓力”。
因?yàn)楸鶋貕睾苤兀恐患s20公斤，壺底平坦，中心稍凹。 當(dāng)放置在覆蓋有小冰粒的冰上時(shí)，接觸點(diǎn)處的壓力非常高，導(dǎo)致冰的熔點(diǎn)降低并融化。 水膜減少摩擦。
所以冰壺并不是在冰面上滑動(dòng)，而是在這些“冰粒”上滑動(dòng)。
如果做成光滑的平面，結(jié)果可能是冰壺底部的中心是凹的。 周?chē)佑|部位的冰融化后，整個(gè)冰壺石就會(huì)像吸盤(pán)一樣“吸”在冰上。
知識(shí)點(diǎn)2 為什么要“擦冰”？
相信很多人都在電視上看過(guò)冰壺比賽。 一名隊(duì)員將冰壺石推了出去，表情嚴(yán)肅。 冰壺石前有兩個(gè)人緊張地喊著，瘋狂地“擦地板”。 然后他們就看到冰壺石把對(duì)方的冰壺石撞開(kāi)了。 穩(wěn)穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)到了圓心，隊(duì)員們歡呼起來(lái)……
問(wèn)題是，運(yùn)動(dòng)員為什么需要“擦地”呢？ 這個(gè)過(guò)程實(shí)際上被稱(chēng)為“刷冰”，是冰壺運(yùn)動(dòng)的重要技術(shù)之一。
很多人認(rèn)為刷冰就是清潔冰面，為冰壺運(yùn)動(dòng)“注入靈魂”。 事實(shí)上，情況并非如此。 刷冰的主要目的是通過(guò)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(chǎng)上，刷冰面的目的是讓冰壺石旋轉(zhuǎn)更少，滑得更遠(yuǎn)。 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(chēng)為“冰棋”。
知識(shí)點(diǎn)3：冰壺沖擊力與動(dòng)量守恒
對(duì)于普通觀眾來(lái)說(shuō)，冰壺比賽中最期待看到的就是冰壺運(yùn)動(dòng)員們的“精彩”碰撞。 冰壺撞擊模型是高中物理“動(dòng)量守恒”和“碰撞”中的重要命題材料。
動(dòng)量守恒定律是現(xiàn)代物理學(xué)三大基本守恒定律之一。 其基本描述是：如果一個(gè)系統(tǒng)不受外力作用或者外力之和為零，則系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。
m1v1+m2v2=m1v1ˊ+m2v2ˊ
考慮到冰壺石質(zhì)量很大，滑動(dòng)時(shí)遇到的阻力很小，可以近似理解為遵守動(dòng)量守恒定律。
說(shuō)再多也沒(méi)用。 我們來(lái)做一道簡(jiǎn)單的物理題：
04
速滑運(yùn)動(dòng)“彎”的原因
該部分難度最大，涉及的比賽項(xiàng)目是短道速滑，是中國(guó)冬奧隊(duì)的有力“奪金點(diǎn)”。
了解冬奧會(huì)的人都知道，中國(guó)短道速滑隊(duì)?wèi)?zhàn)績(jī)輝煌，堪稱(chēng)中國(guó)隊(duì)冬奧會(huì)的“王者之隊(duì)”。
中國(guó)短道速滑隊(duì)
2002年美國(guó)鹽湖城冬奧會(huì)上，中國(guó)女子短道速滑運(yùn)動(dòng)員楊洋奪得500米和1000米冠軍。 這是中國(guó)冬奧會(huì)歷史上的第一枚和第二枚金牌。
2014年溫哥華冬奧會(huì)上，由王蒙、周洋、張慧、孫琳琳組成的中國(guó)女子短道速滑隊(duì)在主教練李艷的帶領(lǐng)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(chuàng)造了歷史。
2018年平昌冬奧會(huì)，中國(guó)短道速滑隊(duì)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(yùn)動(dòng)員的“彎道”超車(chē)。 要知道，短道速滑中，彎道約占總距離的50%。 能否掌握曲線(xiàn)技巧對(duì)于速滑來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。 運(yùn)動(dòng)員非常重要。
運(yùn)動(dòng)員在過(guò)彎時(shí)，身體總是向內(nèi)大幅度傾斜，身體的一側(cè)幾乎接觸地面。 問(wèn)題來(lái)了：
這個(gè)“彎曲”的目的是什么？ 有哪些物理原理？
如果用一句話(huà)來(lái)簡(jiǎn)單解釋“彎曲”的原理，那就是重力和離心力的力矩平衡。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是“不彎腰就會(huì)被扔出去”。
知識(shí)點(diǎn)1 力平衡
運(yùn)動(dòng)員的滑冰轉(zhuǎn)彎被視為圓周運(yùn)動(dòng)。 此時(shí)，冰刀卡在冰上時(shí)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(wèn)題↓↓↓
因此，在水平方向上，摩擦力f等于離心力v2m/r。
知識(shí)點(diǎn)2 力矩平衡
除了力平衡分析之外，接下來(lái)還必須分析力矩平衡。
如果人在滑行和轉(zhuǎn)身時(shí)身體直立，上半身就會(huì)因慣性產(chǎn)生的離心運(yùn)動(dòng)而被“甩出”。 你一定有過(guò)這樣的經(jīng)歷：當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，車(chē)內(nèi)的乘客往往會(huì)向外摔倒。 這時(shí)，一般人的上半身會(huì)不自覺(jué)地向內(nèi)傾斜來(lái)“抵抗”。
不僅是滑冰運(yùn)動(dòng)員，摩托車(chē)在過(guò)彎時(shí)也會(huì)出現(xiàn)明顯的“顛簸”現(xiàn)象。
如圖所示，為了保持平衡，以冰刀與地面的接觸點(diǎn)為圓心，重心力矩應(yīng)等于離心力力矩。
經(jīng)過(guò)一推導(dǎo)，就得到上面的公式↑↑↑
可見(jiàn)，如果轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度很高，有兩種方法可以避免被拋出：
①增大轉(zhuǎn)彎半徑r：這也是機(jī)動(dòng)車(chē)高速行駛時(shí)不能急轉(zhuǎn)彎的原因；
②加大傾斜角度θ：由于短道速滑比賽場(chǎng)地有固定的彎道，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員要求轉(zhuǎn)彎時(shí)，身體必須明顯向內(nèi)傾斜。
需要補(bǔ)充一點(diǎn)的是：關(guān)于“壓力彎曲”現(xiàn)象，很多人將其原理等同于高中物理課本上的“火車(chē)轉(zhuǎn)彎”模型。 這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模驗(yàn)榱熊?chē)轉(zhuǎn)彎主要是通過(guò)內(nèi)外軌的高度差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 此時(shí)的向心力是由鋼軌傾斜的“支撐力”和重力的合力提供的。
當(dāng)滑冰者和摩托車(chē)手壓彎時(shí)，支撐力始終是垂直向上的。
-結(jié)束-
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