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)