北京冬奥会中的物理考点.docx
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北京冬奥会中的物理考点
2022北京冬奥会中的物理考点,速收藏!
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,冰刀的刀刃是比较锐利的,甚至说是比较危急的。
2022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,事后缝了十针。
你去网上搜一下"冰刀划伤'就会发觉,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,既然危急,为什么要把冰刀做的这么锐利呢?
简洁来说,冰刀设计的很薄,首先是为了蹬冰启动、加速时的抓地力。
究竟刀刃是嵌入冰里的,蹬冰时可以供应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。
学问点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许多。
比方,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。
再比方,刚被湿拖把清扫过的地面特别的滑,也是由于了类似的原理。
冰的外表,比大多数的物体外表都要光滑〔据说表层有一层很薄的水膜〕,但是对于滑冰而言还不够,假如能在冰的外表撒一层水,其摩擦系数会进一步减小。
但如今存在一个问题,假如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?
这时候就需要其次个学问点帮你解答。
学问点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。
冰刀之所以做得锐利,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快速熔化,从而起到润滑作用。
划过的冰面,由于冰刀对冰面压强的消逝熔点回升,熔化后的水又快速结冰了,这就是复冰现象。
拓展学问捏雪球
你想过没有,本来松软的雪,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,把其余没有溶化的冻结成型,所以捏好后的雪球可以保持样子。
滚雪球时也是利用雪球本身重力,实现雪"熔化'"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欣赏性体育项目,选手往往在美丽的音乐和高度的滑行中做个各种高难度的动作。
花样滑冰里最好玩的物理现象是:
运动员原地旋转时,双手绽开时转速不快,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。
学问点1角速度
角速度是圆周运动中质点在t时间内转过的角为,即为描述物体绕圆心转动的快慢的物理量,用符号表示。
学问点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,虽然不同样子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:
角动量学问点是高校才学到的。
学问点3角动量守恒
假如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,若忽视摩擦力、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,依据角动量守恒,角速度自然就变大,所以就转的越来越快啦!
这个奇妙的原理,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,开头时平举双臂,使人和凳子一起以某固定角速度转动起来。
然后人快速收缩双臂,这时你会发觉人转的更快了!
值得一提的是,在2022年12月9日的中国空间站《天宫课堂》上,航天员叶光富也做了一个角动量试验;
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,这个试验更加简单胜利,这可能是世界上最标准的角动量守恒试验了,好艳羡哦~
冰壶竞赛为什么要擦地?
冰壶可称其之为集技巧与才智于一体的体育运动,被大家誉为冰上的"国际象棋'。
中国冰壶队于2022年成立,短短十几年的进展中成果斐然。
老法规,聊一下冰壶运动中的物理学问。
学问点1冰壶赛道外表不光滑
与速度滑冰、花样滑冰不同,冰壶赛道冰面特别奇怪,并不是平整光滑的外表,甚至还有一层薄薄的冰粒,犹如细小的"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,这些水珠遇冷快速凝固成冰粒,此过程被称之为"打点'。
而这样做的缘由让人费解为了减小摩擦。
WHAT?
学过学校物理的人都知道,物体外表越粗糙,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?
这里涉及到的学问点,曾经讲过,即"熔点与压强'。
由于冰壶很沉,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。
假如做成光滑的平面,可能会消失这样的结果:
冰壶底面中间内凹,四周接触部分的冰熔化后,整个冰壶会犹如吸盘一样"吸'在冰面上。
学问点2为什么要"擦冰'?
信任许多人在电视上看过冰壶竞赛,一位队员表情严厉 的推出冰壶,冰壶前方还有两位紧急的大喊并且疯狂"擦地板',然后观察冰壶撞开对手冰壶,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',是冰壶竞赛重要技术之一。
许多人以为,刷冰是为了清扫冰面,顺便给冰壶"注入灵魂',事实上并不是。
刷冰的主要目的在于,通过冰刷的摩擦,使冰面温度上升,造成冰面熔化,在冰外表形成一层水膜,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得多许多,这也是该运动会被称作"冰上象棋'的缘由。
学问点3冰壶撞击与动量守恒
对于一般观众而言,在冰壶竞赛上最期盼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。
m1v1+m2v2=m1v1ˊ+m2v2ˊ
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。
在短道速滑竞赛途中,个人最喜爱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%,能否把握弯道技巧对于速滑运动员特别重要。
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'的目目的是什么?
物理原理又是什么呢?
假如用一句话简洁解释"压弯'原理,就是重力与离心力的力矩平衡,说的再简洁点就是"不压弯,会被甩出去'。
学问点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供应向心力。
为了便利讨论,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。
如下列图,商量力平衡问题
因此在水平方向上,摩擦力f等于离心力v2m/r。
学问点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。
假如滑冰转弯时人的身体是直立的,上半身会由于惯性会做离心运动而被"甩出去'。
你确定有过这样的阅历:
车转弯时,车内的乘客简单向外倾倒,这时候一般人的上半身会不自觉的向内倾斜做出"反抗'。
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,重力的力矩应当等于离心力的力矩。
一通推导完毕,你会得到上面的式子
可以看出,假如转弯时的速度很大,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缘由;
②增大倾斜角度:
由于短道速滑的竞赛场地弯道固定,所以运动员告知转弯时,必定要身体会大幅向内倾斜。
需要补充一点:
关于"压弯'现象,许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,由于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'和重力的合力来供应向心力。
而滑冰运动员、摩托车手压弯时,支持力始终是竖直向上的
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