美媒解析冬奥雪橇赛场上的物理学

小希

《科学美国人》月刊网站2月8日发表题为《奥运会雪橇的高速物理学》的文章，作者为约翰·埃里克·戈夫，全文摘编如下：

在今年的北京冬奥会上，雪车、雪橇和钢架雪车项目吸引众多体育爱好者的因素可能单单就是速度。但是，在蜿蜒曲折、覆盖冰层的下坡赛道背后，很多物理学概念在起作用。运动员对物理学作用如何作出反应，最终决定了一组选手中谁滑得最快。

人们很容易以为，选手只是在重力的作用下降落或沿赛道下滑。但这种想法只涉及所有影响雪橇滑行的微妙物理学作用的表象。

在雪车、雪橇和钢架雪车项目中，重力给雪橇或雪车提供动力，使其沿着覆盖冰层的赛道下滑。总体上的物理学原理很简单——选手从某个高度出发，然后降至较低的高度，在重力作用下，选手可加速到接近时速145公里。

作为冬奥会赛场的延庆国家滑雪中心的赛道长约1.6公里，最大落差约为121米，最陡一段的坡度达到18%，包含16个弯道。

由于重力势能转化为动能，运动员在雪橇比赛中达到高速。当运动员以每小时约129公里的速度进入弯道时，他们经历的加速度可能是正常重力加速度的5倍。

《科学美国人》月刊网站2月8日发表题为《奥运会雪橇的高速物理学》的文章，作者为约翰·埃里克·戈夫，全文摘编如下：

在今年的北京冬奥会上，雪车、雪橇和钢架雪车项目吸引众多体育爱好者的因素可能单单就是速度。但是，在蜿蜒曲折、覆盖冰层的下坡赛道背后，很多物理学概念在起作用。运动员对物理学作用如何作出反应，最终决定了一组选手中谁滑得最快。

人们很容易以为，选手只是在重力的作用下降落或沿赛道下滑。但这种想法只涉及所有影响雪橇滑行的微妙物理学作用的表象。

在雪车、雪橇和钢架雪车项目中，重力给雪橇或雪车提供动力，使其沿着覆盖冰层的赛道下滑。总体上的物理学原理很简单——选手从某个高度出发，然后降至较低的高度，在重力作用下，选手可加速到接近时速145公里。

作为冬奥会赛场的延庆国家滑雪中心的赛道长约1.6公里，最大落差约为121米，最陡一段的坡度达到18%，包含16个弯道。

由于重力势能转化为动能，运动员在雪橇比赛中达到高速。当运动员以每小时约129公里的速度进入弯道时，他们经历的加速度可能是正常重力加速度的5倍。

大多数赛道长约1.6公里，运动员只需不到1分钟就能滑完这一距离。完赛时间是把4轮比赛成绩相加得出的。2018年冬奥会男子单人雪橇金、银牌之间的差距仅为0.026秒。世界上最优秀的运动员即便犯下微小错误，也可能会错失奖牌。

所有运动员都在同一高度出发，沿着同一赛道下滑。因此，金牌与令人失望的成绩之间的区别并非在于重力和势能，而在于快速的启动速度、尽可能利用空气动力效果以及在赛道上取最短路径。

虽然重力让运动员和雪橇向下滑动，但他们会不断地与空气粒子相撞。一名运动员或一个运动员组合的空气动力学效果越强，他们的速度就越快。

为了将空气阻力降至最低，雪橇运动员——他们脸朝上——尽量保持躺平。脸朝下的钢架雪车运动员也要平趴在钢架雪车上。不管是双人组合还是4人组合，雪橇运动员都要把身体紧紧塞进雪橇里，以减少与空气碰撞的面积。在体位上犯下的任何错误都会降低运动员的空气动力学效果，导致比赛用时轻微增加，使运动员可能与奖牌无缘。在高速加速的情况下，这些错误很难得到纠正。

除了尽可能利用空气动力，滑得快与滑得慢之间的其他主要区别在于运动员所采取的路径。如果运动员最大限度地减少雪车所占用的总长度，并避免在赛道上呈“之”字形下滑，那么他们滑过的距离将会减少。缩短路径还意味着受到的空气阻力较少，以及在与赛道摩擦过程中速度减小较少。

体育爱好者往往错过转弯和转向时的细微之处。比赛所用的雪车或雪橇底部嵌入了钢质刃片，即滑行装置。雪车有两组钢刃与冰面接触。前面的运动员通过车内两个把手控制的滑轮系统来转动前面的钢刃。雪橇的滑行装置在雪橇前部呈弯弓状，运动员把小腿放置其上。通过移动头部和肩膀，或屈伸小腿，运动员可以改变雪橇的方向。钢架雪车运动员缺乏这些控制手段，必须用肩部和膝盖来操控方向。即便是微小的头部运动也会导致钢架雪车偏离最佳路径。

所有这些细微的动作在电视上很难看到，但后果可能是巨大的——过度转向可能导致与赛道壁相撞，甚至翻车。转向不当可能导致转弯动作不佳，耗费运动员的时间。

虽然看起来不过是运动员在启动后沿着赛道高速下滑，但其实还有很多看点。观众必须密切关注在那些快速移动的雪橇上的运动员，才能发现有趣的物理学现象。

来源：http://www.cankaoxiaoxi.com/science/20220213/2469028.shtml
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