(完整版)对冰壶运动中的物理原理的分析

对冰壶运动中的物理原理的分析
山东省北镇中学高二六班付帅
指导老师王志芳
1、引言
研究的问题的主要背景情况和意义：随着社会的发展和人民生活水平的提高，冰壶这项运动渐渐走进寻常百姓的视野。

2010年，我国女子冰壶队在温哥华冬奥会上再创佳绩，成为世界强队，冰壶运动也越来越流行。

然而，冰壶这项运动在我国的群众基础较差，所以科学的训练对中国冰壶的发展尤为重要。

然而，国内现在的训练主要还是靠经验来训练，这显然是不行的，所以对冰壶运动进行科学的分析是势在必行的。

主要研究的问题：冰壶运动距离的影响因素；建立更加合理的物理模型；研究擦冰对冰壶轨迹的影响；
研究方法：运用一些物理与数学知识建立合理的模型；通过网络搜索大量冰壶运动数据进行分析；
2、符号说明
m——冰壶的质量单位：克
v——冰壶由运动员手中离开时的瞬时速度(初速度) 单位:米/秒
u——冰面的动摩擦系数
g——重力加速度单位:米2/秒
S——冰壶由离开运动员手时到停止一共运动的距离单位：米
a——冰壶的平均加速度单位:米2/秒
3、物理建模
在这个部分，我们只讨论冰壶从离开运动员手到静止这段运动，而且假设冰壶受到的摩擦力大小和方向不变。

运动员将冰壶由起点推出，使其停止在冰道尽头的数个同心圆内，并设法将对方的壶撞出。

来看一下冰壶的运动过程吧。

投掷者手推冰壶一起做加速运动（这一过程不作分析），
冰壶由此获得初速度。

投掷者放手时，冰壶由于受到冰面的摩擦，暂且假设做匀减速直线运动，直到速度为零。

运动中冰壶所受重力mg与地面给冰壶的支持力二力平衡
即F n=mg
根据摩擦力公式
f=u*F n=umg
由牛顿运动定律
a=f/m=ug
根据运动学公式
S=v2/2a=v2/2ug
由此可知，冰壶运动的距离与初速度的平方成正比，而与冰壶的质量无关。

从发球点到目标的圆心的距离约有29.6米，再结合冰面实际的动摩擦系数,可以算出投壶时大体的初速度。

摩擦系数的检测方法相对来讲比较统一：使用一个试验板(安置在水平操作台上的)，将一个试样用两面胶或其他方式固定在试验板上，另一试样裁切合适后固定在专用滑块上，然后将滑块按照具体操作说明放置在试验板上第一个试样的中央，并使两试样的试验方向与滑动方向平行且测力系统恰好不受力。

通常采用如下形式的检测结构。

注：A. 滑块；B. 试验板；C. 支持底座；E. 测力系统；F. 恒速驱动系统；I. 尼龙丝
但摩擦力不变和匀速直线运动只是理想状态的情况，实际情况下由于一垒的偏差，需要二垒运动员通过擦冰来修正冰壶的运动轨迹和距离。

擦冰是怎样改变修正冰壶运动轨迹和距离呢？原来擦冰是为了用克服摩擦力做功的方式增加冰的内能，使冰面上融化有一层薄薄的水，以减小摩擦系数，这样，冰壶就能行驶得又远又直了。

在干燥的表面上，球体运动时前方受到的摩擦力比后方要大，且其旋转方向和滑行方向是不同的。

而在液态的冰面上则正相反，因为液态层减少了前方的摩擦，球体滑行和旋转的
方向是相同的。

队员擦冰时，两名运动员用刷子擦冰壶前面的冰面，使得液态膜变得更光滑来控制冰壶前进时的弯曲程度以及滑行距离。

美国小组进行的测试表明擦冰员可以让冰壶多走约4.8米。

其实冰壶赛道的横截面是U形的，并不水平，之所以如此设计并不是制冰师的失误，而是制冰师专业水平的体现。

因为U形的冰面可以帮助高水平的运动员打出弧线球。

冰道表面也不是光滑的所以旋转时不同的部位摩擦不一样，旋转速度及平动速度不一样，再配合擦冰，因此可以打出弧线球。

简而言之，可以改变方向，在冰壶一边刷另一边不刷就可以造成冰壶刷的一边摩擦力小另一边摩擦力大，从而改变方向。

4、实际应用
根据我推导出来的公式S=v2/2ug，我设想可以设计一种仪器，可
以根据冰壶的初速度来估算出运动距离，再根据估算值与目标距离比
较来指导二垒运动员的擦冰。

测量瞬时速度在目前的技术水平上很容
易达到，冰面的动摩擦系数也易测得，通过电脑的数据整理应该能达
到指导运动员擦冰目的。

右图就是我设想的通过指示灯闪烁频率来指
导运动员练习的程序。

我想这会在辅助冰壶初学者和指导运动员训练
等方面发挥积极的作用。

5、感谢
感谢我的物理老师王志芳对我的指导，感谢学校图书馆的管理员
老师方便我查阅资料。

最感谢的是中国女子冰壶队，是她们的优秀表
现让我开始认识冰壶这项运动，带给我灵感。

参考文献: [1]大众机械（Popular Mechanics）三月刊
[2]徐周“课程论文冰壶运动中的物理原理”
[3]《材料摩擦系数的正确检测以及注意事项》济南兰光机电技术有限公司。