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冬奥会新项目空中滑雪精彩刺激,但其中的物理定律竟是向喵星人学来的
 
编辑:信息中心投稿    来源:科技日报公众号      时间:2018/2/7 9:48:19 

韩国平昌冬季奥运会马上就要举行了,

大型空中滑雪板跟速度滑冰

及冰壶混双项目一起,

成为冬奥新项目。

运动员将会从陡坡道或悬崖上跳下去,

如果电视台将慢动作重播,

观众甚至能看到快速

而复杂的飞行与颠簸细节。

而单板滑雪可能最抓眼球,

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,

壮观但有潜在危险的滑雪动作。

为了在这场比赛中脱颖而出,滑雪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。

空中转体后怎么安全落地?喵星人给你答案

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,因为这将比以往条约的更高。”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气中花费更多的时间,他们将不得不做出调整。

如果光线或能见度不好,将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。“真希望运动员男子脑子里有个计时器,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,派洛特做出了五次完整的侧转体(1800度)和四次完整的正面翻滚转体(1440度),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、扭曲和在空中,他们其实还用到了角动量原理。

任何绕着轴旋转的物体,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,大型雪板运动员在空中拉回手臂,他们旋转的更快,反之,如果把手臂伸出去,就会变慢。

众所周知,喵星人都是自带天赋的神奇动物,在这方面它们更是远超其他物种,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,同时把签退所在胸前,以减少前半身的转动惯量。

如此一来,在满足云动平衡的前提下,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,它们可以成功完成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·布拉达正在教授的课程就叫做“加利福尼亚运动中的物理学”,除了滑雪,还包括冲浪。他说,从16层楼高的滑板台上跳下的滑板运动员,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,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,一个滑板运动员可以在起飞时得到一个意想不到的角度,这可能直接影响到着陆时的结果,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,然后是一个平坦的区域。在那里,选手们表演特技,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,膝盖受冲击所要吸收的能量也少得多。

国际滑雪联合会的竞赛主管罗波尔图·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,会让他们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。但如果天气条件较好,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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