冬奥雪车雪橇运动背后的科学

作者: 下雪

来源: 返朴

发布日期: 2022-02-17 09:17:13

本文介绍了2022年北京冬奥会中雪车、钢架雪车和雪橇三个竞速项目的区别及其背后的科学原理,包括物理学中的重力、空气动力学和摩擦力等因素如何影响运动员的表现。

2月11日,我国运动员闫文港获得北京冬奥男子钢架雪车项目铜牌,这是中国运动员首次在该项目上登上领奖台。他的同伴殷正则创下赛道出发纪录,均创造了历史。钢架雪车、雪车、雪橇,都是在一条赛道上的竞速项目,相信很多人不仅分不清楚它们的区别,更看不出里面的门道,这篇文章就来简要介绍一下这些“雪橇”项目以及它们背后蕴含的科学。

2022年北京冬奥会接近尾声,作为一名普通的中国观众,必然最为关注我们的夺金项目,比如短道速滑、自由式滑雪等,其他项目则总是抱着看看热闹的心态。而在所有冬奥项目中,或许最令我们“不明觉厉”的项目是雪车、钢架雪车以及雪橇这三个竞速项目——或躺或趴或坐,转了几圈就结束了比赛,胜负只差毫厘,着实让人摸不着头脑。

雪橇、雪车和钢架雪车的区别与场地

雪橇、雪车和钢架雪车,造型虽然各不相同,但从器材上看,其实它们都是雪橇(sled,sleigh)。作为一名普通观众,区分这三项运动并不困难,最简单的方式是看运动员的身体形态。

雪车雪橇项目是冬奥赛场上最快的项目之三(高山速降滑雪也很快),四人雪车比赛最高时速可达150Km/h,无舵雪橇也能达到140Km/h。如此高速的来源其实非常容易理解——重力,运动员仅凭人和雪橇的重力从高处向低处运动。此过程中重力势能转化为动能,两者都与质量成正比,因此质量越大,在其他条件都相同时,四人雪车是能量最大的。

冬奥会的雪车雪橇项目大多数赛道长约1.6千米,选手能在1分钟内飙完全程。比赛则进行四轮,最终成绩为四轮时间之和。即使如此,冠亚军差距也仅在百分之几秒,甚至千分之几秒的时间。空气动力学在此就起到了重要作用。早期的风洞实验和计算流体力学(CFD)的研究显示,空气阻力占据总阻力的20%~26%;减少3%的阻力,最终成绩将提高十分之一秒。

如果要问,冰为什么滑?

这是一个物理学家花了上百年时间仍未找到确切答案的问题。早期研究认为,冰表面形成了一层水膜起到润滑作用,这一现象最初是由法拉第发现的。1987年科学家通过X射线衍射证实了冰表面确实有一层准液态层(quasi-liquid layers,QLL),厚度仅为几十纳米,后来则发现这是一种亚稳瞬态,在冰升华和水蒸气增长时存在。不过,理论上还没能找出实验观察到温度在冰熔点附近时摩擦力会比低温时大的原因。

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