冬奥中的力学—冰壶运动

beatylady

冬奥会给我们带来一场场精彩的视觉盛宴，有一种项目需要吭哧吭哧卖力的抹地板，是不是顿时觉得这项目有什么技术含量呢，但你真的懂这项运动吗，需要你认真了解这项运动后才能发觉其中的乐趣。

看官您先不要着急， 冰壶运动不是简单机械的在冰面上刷一刷，冰壶在运动的过程中受摩擦力的影响，会涉及很多的比赛技巧和策略，及大量的物理、数学、逻辑等学科的知识，是一种高级脑力运动，更适合学霸们玩的游戏，所以还有一个别名叫做“冰上国际象棋”。

冰壶运动起源于500年前的英国苏格兰地区，一群人在结冰的湖泊和池塘上滑石子，为农民在寒冷冬季的一大乐趣。

随着苏格兰人的迁徙，冰壶运动在18世纪传至美洲广泛的普及开来。1924年，首届在法国夏蒙尼冬奥会上，冰壶比赛被列为项目参会，在很长时间内被视为表现项目，直到2002年才被承认为正式比赛。2022年北京冬奥会将是其参与的第7届，它是个有着悠久历史的冬奥“新人”。

冰壶比赛时，每场由两支队伍对抗进行，比赛双方各4人登场，两队每名运动员均有两个冰壶，即有两次掷壶机会。分一垒、二垒、三垒和四垒，顺序交叉投壶，在一名队员掷壶时，由两名本方队员手持毛刷在冰壶滑行的前方快速左右擦刷冰面使冰壶能准确到达营垒的中心。同时对方的队员为使冰壶远离圆心，也可在冰壶的前面擦扫冰面。10局比赛，每局中冰壶最接近圆心的一方得分，得分多者获胜。

运动员掷壶时，身体下蹲，蹬冰脚踏在起蹬器上用力前蹬，使身体跪式向前滑行，同时手持冰壶从本垒圆心推壶向前，至前卫线时，放开冰壶使其自行以直线或弧线轨道滑向营垒中心。掷壶队员在力求将冰壶滑向圆心的同时，也可在主力队员的指挥下用冰壶将对方的冰壶撞出营垒或将场上本方的冰壶撞向营垒圆心。最后当双方队员掷完所有冰壶后，以场地上冰壶距离营垒圆心的远近决定胜负，每石1分，积分多的队为胜。

比赛分两队进行，两队各有四名队员轮流丢掷，以赛前双方掷点离圆心近者先掷。每局在每队交替掷壶，每人分别丢掷两壶，八人共掷十六壶之后结束。

冰壶到底“刷”的是啥？答案就是冰粒！制冰师要在冰面上均匀喷洒纯净水，形成均匀的冰粒，也就是“打点”。这些冰粒在冰壶下方创造出空间，某种程度上减少了摩擦，并且考虑到冰壶底部呈凹陷状，这个小小的空间也阻止冰壶吸附到冰面上。当其滑行于冰面时，会使冰粒微微融化并形成另一层薄薄的水，这样冰壶就可以更平稳地滑行啦。

为什么要刷冰面？通过刷冰可以瞬时提高冰的表面温度，使冰壶走得更远。刷得越用力，冰珠顶部就融化得越多、变得更滑，反之，如果壶离圆垒或圆心足够近，不需要滑行太远，刷冰员也就不需要过于用力刷冰。有各种各样的刷子——玉米刷、马毛刷，以及更高端的合成纤维刷。此外，刷冰员沿着冰壶滑行的轨迹刷冰，还能改变冰壶运动的方向或速度。既要控制冰壶运动方向又要控制冰壶运动速度的精髓就在这里！

在比赛中，首先投手执壶共同滑行，并在规定范围内将冰壶石推出

这个时候，就给了冰壶一个初速度，在理想状态下，这个时候的冰壶石受到了三个力：即：冰壶石自身向下的重力，地面给冰壶的支持力，且二力平衡。另外就是冰壶会受到一个向后的摩擦力。因此，在理想状态下，假设冰壶石是做匀减速运动。这样，冰壶石的运动距离会与初速度的平方成反比，而与冰壶石自身的质量无关。冰壶的冰道长约 42 米，宽 4.25 米，根据动摩擦系数，可大致估算出冰壶出手时的初速度。

但是在实际比赛中，冰壶的速度一旦放慢就会发生偏转。如果冰壶向前方滑行时，冰壶石同时还有逆时针旋转，则冰壶向前滑行的轨迹会向左偏转。并且越到赛道的接近圆圈的地方，这样的偏转越明显。这个现象是不是令你感到奇怪呢？其实这主要是两个方面的因素造成的：

第一、由于冰壶石的前后缘摩擦力不相等，前缘的摩擦力小于后缘。冰壶在滑行时，其重心高于地面，这使得其在滑行过程中会有微微的前倾。那么压在前缘上的压力就比后缘大，这使得前缘的冰在瞬间融化的比后缘多，那么摩擦力就小于后缘产生的摩擦力。对于逆时针旋转的冰壶，后缘的侧向运动方向向右，那么摩擦力就是向左的，这个向左的摩擦力大于前缘的摩擦力，冰壶就在这个摩擦力的作用下向左偏转了。

第二、冰壶滑动过程中冰的融化产生了拖带的液体薄膜，使得前缘的摩擦力显著低于前后缘，加剧了冰壶的偏转。冰壶在滑动中，冰不断的融化，会在冰壶与地面间形成一层液体薄膜，随着冰壶的滑动这个运动过程，这层薄膜会由后端带到侧面最后带到冰壶石的前面。这就更使得前缘的摩擦力变小，而冰壶石发生偏转。所以当冰壶的位置接近滑行终点时，这个偏转会发生的更加明显。