鋼架雪車(chē)如何實(shí)現(xiàn)貼壁飛行1)

馬 赟 張 笑 孫 青 霍 波 胡 婧 王 寧

*(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,北京 100081)

?(中央廣播電視總臺(tái),北京 100020)

在冬奧賽場(chǎng)上有這樣一個(gè)比賽項(xiàng)目,堪稱(chēng)為速度最快的項(xiàng)目之一,它就是最快速度能夠達(dá)到130 km/h 的鋼架雪車(chē)。鋼架雪車(chē)起源于20 世紀(jì)瑞士的圣莫里茨。我國(guó)鋼架雪車(chē)國(guó)家隊(duì)在2016 年首次參加國(guó)際比賽,經(jīng)過(guò)短短五年的磨練和積累,我國(guó)選手耿文強(qiáng)于2021 年在奧地利為我國(guó)首奪鋼架雪車(chē)世界杯冠軍,并且在剛剛結(jié)束的北京冬奧會(huì)男子鋼架雪車(chē)比賽中,我國(guó)選手閆文港獲得了鋼架雪車(chē)男子單人項(xiàng)目的銅牌,這也是我國(guó)冬奧會(huì)歷史上的首枚鋼架雪車(chē)獎(jiǎng)牌。

北京冬奧會(huì)的鋼架雪車(chē)項(xiàng)目在位于延慶的國(guó)家雪車(chē)雪橇中心舉行[1],運(yùn)動(dòng)員要在比賽中使用1 min左右時(shí)間通過(guò)1975 m 長(zhǎng)的賽道,而賽道的彎道部分幾乎垂直于地面,在這樣陡峭的冰面上,運(yùn)動(dòng)員應(yīng)該會(huì)掉下來(lái)才對(duì),為什么比賽中的運(yùn)動(dòng)員能夠順利通過(guò),呈現(xiàn)出鋼架雪車(chē)賽場(chǎng)上特有的奇觀—— 貼壁飛行呢？帶著這個(gè)疑問(wèn),讓我們一起走進(jìn)鋼架雪車(chē)這個(gè)比賽項(xiàng)目,探索貼壁飛行背后所蘊(yùn)含的技巧奧秘以及力學(xué)原理。

1 力學(xué)分析

為揭示鋼架雪車(chē)在通過(guò)賽道彎段時(shí)所呈現(xiàn)的貼壁飛行,本文需要闡明兩個(gè)問(wèn)題：一是不同滑行速度對(duì)運(yùn)動(dòng)員過(guò)彎滑行有何影響；二是不同重心高度對(duì)運(yùn)動(dòng)員過(guò)彎滑行有何影響,即運(yùn)動(dòng)員為何采用趴臥姿勢(shì)。

1.1 滑行速度

鋼架雪車(chē)比賽開(kāi)始后,運(yùn)動(dòng)員彎腰弓背并加速向前推車(chē),隨后上撬,獲得啟動(dòng)初速度。由于鋼架雪車(chē)賽道通常有近百米的垂直落差(北京冬奧會(huì)的國(guó)家雪車(chē)雪橇中心主賽道出發(fā)點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差為121 m[1]),隨著運(yùn)動(dòng)員位置的不斷降低,其重力勢(shì)能不斷轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,運(yùn)動(dòng)員獲得了不斷增大的滑行速度。這就是運(yùn)動(dòng)員獲得很高滑行速度的原因。

當(dāng)獲得一定滑行速度后并通過(guò)賽道彎段時(shí),運(yùn)動(dòng)員和鋼架雪車(chē)可認(rèn)為主要受三個(gè)力作用影響(圖1(a)),分別是重力(W=mg),離心力(F=mv2/R) 和冰面支撐力。重力方向?yàn)樨Q直向下,離心力方向水平指向賽道外側(cè),冰面支撐力方向垂直于冰面并指向賽道內(nèi)側(cè)。根據(jù)達(dá)朗貝爾原理[2],可以將運(yùn)動(dòng)員過(guò)彎時(shí)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問(wèn)題,即重力、離心力和支撐力滿足力平衡條件,運(yùn)動(dòng)員便可順利過(guò)彎。這就是運(yùn)動(dòng)員順利過(guò)彎時(shí)需滿足的受力條件。

另外,當(dāng)運(yùn)動(dòng)員和鋼架雪車(chē)的過(guò)彎速度增大時(shí),其離心力會(huì)增大,離心力和重力的合力也會(huì)增大,且合力方向向水平方向偏轉(zhuǎn)(圖1(b)),根據(jù)力平衡條件,運(yùn)動(dòng)員和鋼架雪車(chē)所受的冰面支撐力也隨之增大并向水平方向偏轉(zhuǎn)?？紤]到賽道位置越高,其傾角越大,由于冰面支撐力垂直于傾角切線,此時(shí)只有賽道的更高位置處才能提供更接近水平方向的支撐力(圖1(b))。所以在比賽中,過(guò)彎速度增大時(shí),運(yùn)動(dòng)員和鋼架雪車(chē)的滑行軌跡會(huì)升高。

圖1 鋼架雪車(chē)運(yùn)動(dòng)員過(guò)彎時(shí)的受力分析

1.2 重心高度

除速度之外,還有一個(gè)重要因素也決定著鋼架雪車(chē)運(yùn)動(dòng)員能否順利過(guò)彎,那就是運(yùn)動(dòng)員的重心高度。圖2 所示的是運(yùn)動(dòng)員分別采用趴臥姿勢(shì)對(duì)應(yīng)的低重心與采用坐姿對(duì)應(yīng)的高重心所受離心力的力矩作用圖,力矩M為力F與力臂L的乘積,即M=FL。重心到冰面距離表示離心力的力臂,運(yùn)動(dòng)員重心越高,離心力的力臂越大,所受的力矩越大,說(shuō)明運(yùn)動(dòng)員在過(guò)彎時(shí)所受的因離心力而產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)效應(yīng)越強(qiáng),也就更容易發(fā)生翻車(chē)或者飛出賽道。

圖2 趴臥與坐姿對(duì)運(yùn)動(dòng)員所受離心力力矩的影響

2 演示實(shí)驗(yàn)

為說(shuō)明不同滑行速度和重心高度對(duì)運(yùn)動(dòng)員過(guò)彎情況的影響,本文設(shè)計(jì)制作了實(shí)驗(yàn)道具,圖3(a) 表示將模型車(chē)從傾斜賽道上的不同位置處釋放,代表鋼架雪車(chē)運(yùn)動(dòng)員獲得不同入彎速度；圖3(b) 表示鋼架雪車(chē)比賽中的傾斜彎道；圖3(c) 中的低重心模型車(chē)表示采用趴臥姿勢(shì)的運(yùn)動(dòng)員和鋼架雪車(chē),高重心模型車(chē)表示采用坐姿比賽的運(yùn)動(dòng)員和鋼架雪車(chē)。

圖3 演示實(shí)驗(yàn)的模擬賽道、高重心模型車(chē)和低重心模型車(chē)

開(kāi)展了兩組演示實(shí)驗(yàn)：第一組演示實(shí)驗(yàn)為低重心模型車(chē)以不同入彎速度通過(guò)賽道彎段的情況,第二組演示實(shí)驗(yàn)為低重心模型車(chē)和高重心模型車(chē)以相同入彎速度通過(guò)賽道彎段的情況。

第一組演示實(shí)驗(yàn)：將低重心模型車(chē)從低出發(fā)點(diǎn)釋放,模型車(chē)獲得了最小入彎道速度,此時(shí)模型車(chē)在彎道中段從彎道內(nèi)側(cè)滑落下來(lái)。這是因?yàn)槟Ｐ蛙?chē)所受離心力很小,導(dǎo)致離心力與重力的合力不僅很小,同時(shí)合力方向也更接近垂直方向(圖1(b)),而傾斜彎道所能提供的支撐力是接近水平方向(圖1(b)),所以合力與彎道支撐力在力的方向上無(wú)法滿足力平衡條件,小車(chē)滑出賽道。

將低重心模型車(chē)從中出發(fā)點(diǎn)釋放,其入彎速度變大,此時(shí)模型車(chē)順利通過(guò)了彎道。這是因?yàn)槟Ｐ蛙?chē)的離心力隨入彎速度增大而增大,相比于剛才低位置出發(fā)的模型車(chē),其離心力與重力的合力增大,合力方向更偏向水平方向,與彎道支撐力達(dá)到了力平衡條件,模型車(chē)順利過(guò)彎。

將低重心模型車(chē)從高出發(fā)點(diǎn)釋放,其入彎速度進(jìn)一步變大,此時(shí)模型車(chē)入彎后飛出了賽道。這是因?yàn)槟Ｐ蛙?chē)離心力隨入彎速度增大而進(jìn)一步增大,離心力與重力的合力方向更偏向水平方向,而當(dāng)彎道最高點(diǎn)處無(wú)法為模型車(chē)提供更加水平方向的支撐力時(shí),模型車(chē)過(guò)彎時(shí)的動(dòng)平衡狀態(tài)就被破壞,小車(chē)飛出了賽道。

所以,運(yùn)動(dòng)員需要一個(gè)適當(dāng)?shù)幕兴俣韧ㄟ^(guò)彎道,該滑行速度不能太小,否則會(huì)滑出賽道,也不能太大,否則會(huì)飛出賽道。有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)員當(dāng)發(fā)現(xiàn)滑行速度過(guò)快時(shí),會(huì)用腳尖點(diǎn)地來(lái)增加阻力,適當(dāng)減緩自己的速度,從而更好地通過(guò)彎道。

第二組演示實(shí)驗(yàn)：分別將低重心模型車(chē)和高重心模型車(chē)從中出發(fā)點(diǎn)釋放,低重心模型車(chē)入彎后順利通過(guò)了彎道,而高重心模型車(chē)則翻出了賽道。這是因?yàn)槎咴谌霃澔羞^(guò)程中離心力雖然相同,但高重心模型車(chē)所受的離心力翻轉(zhuǎn)效應(yīng)更強(qiáng),導(dǎo)致高重心模型車(chē)在過(guò)彎過(guò)程中翻出了賽道。

所以,運(yùn)動(dòng)員采用趴臥姿勢(shì)進(jìn)行比賽,盡可能地降低重心,保證安全過(guò)彎。

3 結(jié)論與展望

由此可見(jiàn),鋼架雪車(chē)是一項(xiàng)技巧與速度缺一不可且極具挑戰(zhàn)的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目,只有通過(guò)各個(gè)階段技術(shù)細(xì)節(jié)的完美掌控,采用低重心趴臥姿勢(shì)并獲得適當(dāng)?shù)幕兴俣?鋼架雪車(chē)運(yùn)動(dòng)員才能滑得更出色,實(shí)現(xiàn)鋼架雪車(chē)運(yùn)動(dòng)中的奇景—— 貼壁飛行！

本文看似輕易地分析了鋼架雪車(chē)運(yùn)動(dòng)員高速過(guò)彎時(shí)的技巧和原理,但這其中卻飽含著運(yùn)動(dòng)員日復(fù)一日的艱苦訓(xùn)練,尤其是當(dāng)鋼架雪車(chē)運(yùn)動(dòng)員高速過(guò)彎時(shí),他們會(huì)承受遠(yuǎn)超于自身重量幾倍的離心力,而過(guò)高的離心力會(huì)使運(yùn)動(dòng)員腦供血嚴(yán)重不足,引發(fā)短暫性失明,這對(duì)于運(yùn)動(dòng)員身體的傷害是極大的。讓我們對(duì)運(yùn)動(dòng)員致以崇高的敬意！

另外,基于本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)道具和開(kāi)展的演示實(shí)驗(yàn),可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出更多關(guān)于剛體運(yùn)動(dòng)及相關(guān)動(dòng)力學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)道具,運(yùn)用于理論力學(xué)課程的教學(xué)工作,有助于學(xué)生更好地體會(huì)和掌握基礎(chǔ)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

致謝感謝中央電視臺(tái)科教頻道《實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)》欄目的大力支持。