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冬奥新项目想获奖?物理定律来帮忙

时间:2018-02-06   浏览次数:
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  即将在韩国平昌举行的冬季奥运会中,新增了单板滑雪大跳台、速度滑冰及冰壶混双等几个新项目。而单板滑雪大跳台可能最抓眼球,因为高达49米的世界第一高滑雪坡道,将创造惊人的新技巧,危险而壮观的滑雪动作。

  为了在这场比赛中脱颖而出,运动员必须控制自己的神经和肾上腺素,同时直观地掌握角动量、能量守恒、雪热力学等物理学知识,否则,只要一个失误,就会带着扭伤的手腕、脚踝、膝盖损伤回到地面、离开赛场。

  


  奥地利运动员在比赛中

  空中转体后怎么安全落地,得向猫学习

  堪萨斯州立大学物理学家迈克尔·奥谢说:“一些表演者可能开发新技巧,因为本次将比以往跳得更高。”奥谢写过一本关于户外运动中的物理学的书,他说,新项目让运动员在空中的时间更多,他们将不得不做出调整。如果光线或能见度不好,很难看到地面正在以每小时50英里的速度向他们扑面袭来。“真希望运动员脑子里有个计时器,可以计算在自己在空中盘旋多久比较安全”。

  今年的滑雪选手包括加拿大的麦克斯·派洛特和奥地利的安娜·加赛尔。他们在上个月末在美国科罗拉多州的冬季项目比赛中名列前茅。令人印象深刻的是,派洛特做出了5次完整的侧转体(1800°)和4次完整的正面翻滚转体(1440°),且每次都完美滑板触地。

  派洛特、加赛尔和其他领先者除了本能地操控身进行复杂旋转、扭曲,他们其实还用到了角动量原理。

  任何绕轴旋转的物体,比如旋转的陀螺,都倾向于以同样的速度旋转,除非某种物体挡住了它的方向,或者它自己改变了形状。滑雪者也是如此,角动量总量基本保持不变(除了受到空气阻力的一点点影响)的情况下,身体旋转速度会上升以保持动量不变。因此,运动员在空中拉回手臂会旋转的更快,反之,如果把手臂伸出去,就会变慢。

  如果一只猫从高处掉下来,它会扭动身体以脚着地。这个神奇的求生动作,科学家从物理学角度做了解释:猫以腰为支点,前、后两部分身体分别作出反方向的转体动作。首先向后伸出后腿增加后半身的转动惯量,同时把前腿缩在胸前,以减少前半身的转动惯量。如此一来,在满足运动平衡的前提下,后半身只需反方向转动一点,前半身就可以大幅度地转身面向地面了。随后再伸展前肢、缩回后腿,重复以上转动,使后半身也转向地面。依靠对运动物理学精湛的运用,它们可以成功地四脚着地,而不是摔个四脚朝天。

  加州大学天体物理学家马尔福萨·布拉达所教的课程是运动中的物理学,除了滑雪,还包括冲浪。他说,从16层楼高的跳台上跳下,运动员面临的是与猫同样的处境——如何旋转并安全落地。“与猫不同的是,运动员的脚是被绑在雪板上。”

  起飞瞬间的精准动作设计,能减少运动损伤

  此外,跳跃的精确形状会影响运动员的动量。比如,急剧上升的曲线会引起向后旋转。在雪地里,一个滑板运动员可能在起飞时得到一个意想不到的角度,从而直接影响着陆时的结果,并可能引发运动损伤。

  科罗拉多矿业学院物理学家詹姆斯·麦克尼尔对冬季公园地形进行了建模,进而设计安全的跳跃姿势。“这并不意味着运动员不再受伤,但起码会降低受伤的可能性和程度”。

  加州大学戴维斯分校的机械和航空工程师蒙特·哈伯德说:“滑雪板选手知道他们在做什么,也能够在飞行中控制自己的身体,了解物理学知识会让他们如虎添翼。”

  大多数滑雪板跳跃时会有一个起飞点,然后是一段平稳的时间,选手们在此间表演特技,然后是降落区域,那通常是一条与地面呈40度角的斜坡。

  物理学家使用“等效下降高度”的概念来量化这种情况下的潜在影响。一个从49米高空坠下的人肯定会受伤,但是,当滑雪板沿着一个角度斜坡向下滑行时,就相当于从低得多的高度下降,重力能量被转化为向前移动的能量。因此,在陡坡落地更安全,膝盖受冲击力量也小得多。

  国际滑雪联合会竞赛主管罗波尔图·莫里斯对媒体说:“在设计阶段,我们在考虑起飞角度和着陆角度时,会仔细观察所有的测量数据和飞行曲线。一个好的跳跃动作,会让运动员在落地时几乎感觉不到冲击,这是我们的目标。”

  尽管采取了所有的物理预防措施,但莫里斯对天气状况表示了担忧,而这正是组织者无法控制的因素。如果天气条件较好,那么在起飞和降落的几秒、十几秒内,参赛运动员只要关注自己的动作就好了。


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