聽説你也喜歡看冰壺?_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2022-02-02 22:12
原創:中科院物理所
今天是大年初二
同時也是二〇二二年二月二日
在這個充滿二的日子裏
中二所當然不忘記
今天
就有冬奧會的第一場比賽哦
---正片開始---
眾所周知
冰壺
其實是一項
智力與體力並存

展現動靜之美

取捨之智慧

被譽為**“冰上國際象棋”**
的競賽項目

國家男子冰壺隊隊員:姜東旭

國家女子冰壺隊隊長:韓雨
作為2022北京冬奧會場次最多、賽程最長的項目,冰壺項目的看點在哪裏呢?莫急莫急,且讓小編為你慢慢道來~
01
邊擦地板邊“咆哮”,
我只覺得吵鬧?
冰壺🥌的起源可以追溯到600年前的蘇格蘭。一方面,人們挖到一個印着1511年的冰壺石;另一方面,有兩幅1565年的油畫描繪了人們玩冰壺遊戲的故事。



冰壺石,《冬景》與《雪中狩獵》
來源:sohu@冰壺匯
到了18、19世紀的時候,蘇格蘭移民者把冰壺遊戲帶到了加拿大和美國。接着冰壺在加拿大得到了進一步的發展,器材也在20世紀時被標準化。到現在,世界各地都在玩冰壺,並從1998年開始將其納入冬奧會比賽項目。
對於初次看冰壺比賽的童鞋,很可能會有這麼三個問題:
1. 他們為什麼要擦地?
2. 他們喊啥?
(難道冰壺是聲控的嘛)
……
3. 咦,我為什麼要看冰壺?

所以小編覺得有必要為大家整理一下,冰壺比賽的基本規則——
冰壺比賽規則(青春版)

簡單來説,冰壺比賽就是2個隊,每隊4人,輪番把16個40斤的冰壺投進約摸30米遠的大本營中(一人投倆)。比賽結束後,在大本營中,所有冰壺更靠近圓心的隊伍得分,並且有多少冰壺更靠近圓心就得多少分。

比如這兩種情況,均為紅隊獲勝,分別得1分(左)和2分(右).
以上兩圖來源:柴知道
就這樣進行10場比賽,每場比賽得分加起來作為最後的總得分。在冰壺比賽中,由於後投者可以將大本營中已有的冰壺撞開,所以這並不是一個簡單的比準頭的比賽,而是一次講究策略的博弈——投壺隊員需要通過“咆哮”的方式,指揮擦冰隊員在冰壺前方擦冰,以控制冰壺的速度和方向。

冰壺比賽的亮眼操作
(可惜動圖沒有聲音。所以一定要看比賽視頻,聽一下冰壺比賽專屬咆哮哦)
02
冰壺這麼重,
怎麼滑得動?
從運動學的角度來看,冰壺就是一塊在冰面上一邊自轉一邊平移的大石頭。冰壺的運動主要由與冰面的摩擦決定。對於冰壺這種本身和冰面接觸面積很大,壓強很低的物體,降低摩擦的方法,就是適度減少接觸面積。一方面,接觸面積小了,壓強就提高了,冰熔點會下降得更多(雖然理論已經表明,熔點不會下降太多);另一方面,更小的接觸面積會讓摩擦產生的熱量被更少的冰吸收,這樣這一小部分冰就更容易融化。

為了減少接觸面積,冰壺的底部不是平的,而是中部內凹——其真正可以接觸冰面的面積只有一個圓環,我們稱為**【移動環】**。一般來説,這個移動環的直徑為13釐米,寬度在3-8毫米左右。這大大降低了冰壺與冰面的接觸面積。

從底部看,冰壺中心是內凹的
來源:參考文獻[1]
但這還不夠,如果把40斤的冰壺放在平坦的冰面上,摩擦力還是太大,冰壺前進會很困難。因此,製冰師通常會採取**【冰粒】的技術,來減少冰壺與冰的接觸面積。他們會在平坦的冰面上揮舞噴頭灑水**,噴出的水凝結成小冰粒後,會讓冰面變得凹凸不平,這樣冰壺放在冰面上,實際上只會和冰粒的頂點附近接觸,接觸面積大大減小,相應地摩擦力也變小了。

製冰師看似在隨意的灑水,其實在這個過程中他們手臂擺動的次數、走路的速度、水箱和噴頭的高度差、水的温度等等,都需要得到控制。
來源:Smarter Every Day
考慮到冰壺在冰粒上產生的壓強能達到好幾MPa(具體值與温度和應變率有關),有時候小冰粒會發生屈服甚至斷裂,形成更小的冰渣和碎片。事實上,要想進一步地減少摩擦,常用的辦法之一就是摩擦冰面,也就是**【刷冰】。有各種各樣的刷子——玉米刷、馬毛刷,以及更高端的合成纖維刷。通過刷冰可以瞬時提高冰的表面温度**,使冰壺走得更遠,還有更直。這種做法聽上去非常暴力,實驗上也很難精確測定到底會有多高的温度提升,只是知道大概應該在1℃ 的量級上。但是實踐表明,大力是可以出奇跡的……

通過改變刷頭運動速度、頻率和壓力得到三種擦冰策略下的冰壺軌跡,其對應冰面温度分別比不擦冰高0.5℃、1.0℃和1.5℃。可見隨着擦冰越加用力,冰壺滑的更直,也更遠。
來源:參考文獻[1]
03
關於冰壺轉彎的事情,
至今仍是一個
謎
不過等一等,在探索“刷冰會讓冰壺走得更直”這個問題之前,我們似乎還沒弄明白冰壺為什麼會**【轉彎】**吧?
(自信點,把“似乎”去掉)
的確,冰壺轉彎的秘密至今沒有一個清晰的解答。事實上,一般認為自轉的冰壺,各點的摩擦係數是不一樣的,“後緣”摩擦係數大約是“前緣”摩擦係數的十倍!為方便起見假定冰壺是逆時針旋轉(從上往下看),這個時候前緣在向左轉動,因而會受到一個向右的摩擦,同理後緣會有一個向左的摩擦。由於後緣的摩擦係數遠大於前緣,冰壺受到的總摩擦力會是向左的,於是冰壺就向左偏轉起來了。顯而易見,總摩擦力會和自轉的角速度相關,控制好角速度,再結合上合適的初速度與冰面温度,就可以得到滿意的軌跡。
至於為什麼後緣摩擦係數大於前緣,則眾説紛紜了。這裏為大家列舉其中兩種模型:“劃痕論”和“非對稱摩擦融化論”。
劃痕論
瑞典的Harald Nyberg博士提出了一種有趣的模型:冰壺移動環行進時,環上與冰接觸的點會留下劃痕,而且前緣會先留下的劃痕(如圖(a)所示)。所以,當後緣前進時,會部分地**“踩到”前緣的“腳印”(即劃痕,如圖(b)所示),這個劃痕會像火車軌道一樣將後緣往前緣行進的方向上拉**,從而產生側向力。

劃痕模型的示意圖
來源:參考文獻 [2]
非對稱摩擦融化論
而來自加拿大的Mark Shegelski博士提出,冰壺在前進時,其旋轉方向與前進方向一致的部分,會因為與冰面更大的相對速度,而產生更多的摩擦;而這更多的摩擦融化冰面產生的水會順勢轉移到前緣,從而減小前緣的摩擦係數,最終產生上文所分析的側向力。


非對稱摩擦融化模型的示意圖.
來源:Smarter Every Day
目前這些理論各有優劣,科學家們誰也説服不了誰,因此“冰壺為什麼會偏轉”還是一個可以繼續探索的問題呢~ (冰壺比賽新看點get:探索冰壺的偏轉之謎

04
吾壺,起飛~
雖然冰壺軌跡偏轉的原因尚未明確,但有一個物理定理是可以很容易觀測到的——那就是動量守恆定理。長話短説,就讓我們一起來看看,冰壺比賽裏那些動量守恆激動人心的名場面吧~
NO.1

圖片來源:bilibili@囧吶吶
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今晚****20:05
冰壺混雙第一輪比賽即將開始
中國隊****將迎戰瑞士隊
預祝運動健兒們
冬奧遇冰,冰冰有禮;
虎年擲壺,壺壺生威!

讓我們一起為中國冰雪加油吧!
參考文獻
Francesco Braghin, Federico Cheli, Stefano Maldifassi, Stefano Melzi, and Edoardo Sabbioni, editors. The Engineering Approach to Winter Sports. Springer New York, 2016.
H.Nyberg,etal.,Theasymmetricalfrictionmechanismthatputsthecurlinthecurlingstone,Wear(2013), http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2013.01.051i
Anne-Marie Kietzig, Savvas G. Hatzikiriakos, and Peter Englezos.Physics of ice friction. Journal of Applied Physics, 107(8):081101, apr 2010.
冰壺(冰上投擲性競賽運動項目)_百度百科 (baidu.com)
(北京冬奧會·冰壺)北京冬奧會冰壺比賽隊伍陣容全部出爐 (baidu.com)
北京冬奧入門:看似擦地板的“咆哮遊戲”,竟是冬奧會比賽場次最多的項目!_騰訊新聞 (qq.com)