声振论坛

 找回密码
 我要加入

QQ登录

只需一步,快速开始

查看: 1564|回复: 0

[其他相关] 冰壶方向偏转是难解之谜吗?

[复制链接]
发表于 2022-2-22 13:28 | 显示全部楼层 |阅读模式

马上注册,结交更多好友,享用更多功能,让你轻松玩转社区。

您需要 登录 才可以下载或查看,没有账号?我要加入

x
冬奥会上激烈的冰壶比赛吸引了公众的巨大兴趣(图1)。冰壶运动(curling)是起源于16世纪苏格兰的一种古老冰上运动,1924年被列为奥运会比赛项目。冰壶是由花岗岩研磨制成,重约20公斤的厚圆盘。比赛时运动员半跪滑行将冰壶掷出,使冰壶边旋转边向前滑行,以最终进入营垒的冰壶数目定胜负。为此目的,运动员按照事先设计好的路线,控制冰壶的运行轨迹,使自方冰壶尽量接近营垒中心的目标,阻碍或撞击对方冰壶使其远离目标。冰壶比赛的冰面在赛前喷洒微水珠形成点状麻面,以增加与冰壶的接触面和摩擦力。因此控制冰壶前进路线的最有效手段是用冰刷刷冰将微冰粒击碎,利用摩擦产生的热量将其融化为水膜使摩擦力减小,以改变其滑行方向。
1.png
图1  冬奥会上的冰壶比赛

影响冰壶前进路线的另一重要因素是冰壶的旋转。2月4日《参考消息》转载日本《朝日新闻》的短文《冰壶-—方向偏转之谜至今未解》中说明,冰壶的旋转可引起前进路线的偏转。文中提出一个有趣的力学问题:在桌上旋转的杯子向前滑动时,如果是顺时针旋转就会向左偏转,逆时针旋转则向右偏转。但冰壶却正好相反,顺时针旋转向右偏转,逆时针旋转向左偏转。该文认为,此现象至今未解而成谜。

要在理论上回答这问题也不太容易。如桌面或冰面绝对光滑自不必说。即使有摩擦力存在,前进运动产生的摩擦力与前进方向相逆,使前进运动减速。旋转运动产生的摩擦力与旋转方向相逆,使旋转运动减速。没有与前进方向水平正交的侧向外力,冰壶的质心运动不可能向一侧偏转。

能影响冰壶前进方向的外力,也只有侧向摩擦力能担此重任。旋转中的冰壶在前方和后方的接触点处,有与前进方向正交的侧向摩擦力。冰壶平躺在冰上沿直线前进时,前方和后方的切向摩擦力反对称分布,对质心运动的影响必相互抵消。要改变质心的运动轨迹,前方和后方的摩擦力必须存在差异。考虑冰壶前进的减速运动产生向前的惯性力,可导致冰壶前后方的正压力出现差异。至于正压力的变化如何影响摩擦力,则有两种不同状况。

(一):圆盘在干燥桌面上滑动时,根据库伦定律,摩擦力与正压力成正比。较大的正压力产生较大的摩擦力。

(二):冰壶在冰面上滑动时,因正压力能将微冰粒击碎使冰面融化形成薄水膜。则较大的正压力产生较小的摩擦力。

两种状况的结论截然相反。设圆盘逆时针方向旋转,分别以P和Q表示圆盘在前方和后方与地面的接触点,FP和FQ为地面在该点对圆盘的摩擦力(图2a)。对于干摩擦情形,FP>FQ,摩擦力的合力方向朝右,圆盘的轨迹向右方偏转。此即杯子旋转时观察到的偏转方向。对于冰壶在冰面上滑动情形,FP<FQ,合力方向朝左,冰壶向左方偏转。冰壶偏转方向与杯子相反的现象即得到解释。如圆盘顺时针方向旋转,则摩擦力FP和FQ的方向均相反,上述结论也相反(图2b)。
2.png
图2 旋转圆盘在接触点P, Q处的摩擦力

以上依据摩擦力差异效应的解释简单明了,很容易接受。但2013年瑞典Uppsala大学工程科学系的Nyberg教授等人在《Wear》发表的论文认为,虽然摩擦力差异在理论上说得通,但其效果取决于冰壶的旋转角速度。对于旋转较缓慢的冰壶,此效应的强度不足以使冰壶的行进实现偏转。因此文中提出了另一种解释。认为冰壶在行进过程中,其前方的行进部分在冰面上刻出痕迹(图3)。对随后横越此痕迹的冰壶后继部分起了导向作用,形成所谓 “痕迹导向” 效应(scratch-guiding),促使冰壶趋向刻痕方向偏转。此过程与自行车的车轮横越有轨电车路轨时发生的现象有些类似(图4)。
3.png
图3 冰壶在冰面上的刻痕

4.png
图4  痕迹导向效应示意图

2018年芬兰Aalto大学应用物理系和机械工程系的Viktor Honkanen教授等人在《Scientific Reports》发表的论文中,为证实痕迹导向效应的存在,进行了细致的实验研究工作。他们利用干涉测量法(interferometry)量测行进中的物块与冰面接触后冰面的形貌特征以显示滑行痕迹,推测物块在冰面上滑行的轨迹(图5)。从而为导致冰壶方向偏转的“痕迹导向效应”提供科学依据。
5.png
图5  冰面形貌显示滑行痕迹

由此可见,旋转冰壶引起前进方向的偏转现象可从力学角度初步得到解释。虽然各种解释还不够完美,需要更准确的实验观测证实。人类对客观规律的认识永无止境,而所谓“冰壶方向偏转之谜至今未解”的说法则颇有夸大之嫌。

回复
分享到:

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 我要加入

本版积分规则

QQ|小黑屋|Archiver|手机版|联系我们|声振论坛

GMT+8, 2024-12-26 05:33 , Processed in 0.100586 second(s), 21 queries , Gzip On.

Powered by Discuz! X3.4

Copyright © 2001-2021, Tencent Cloud.

快速回复 返回顶部 返回列表