(应用物理论文）10物理学梁晓芳.doc

花样滑冰中蕴含的物理学原理 学院：物理科学与技术学院 专业：物理学 学号：201010800027 姓名：梁晓芳 摘要：当我们看到冬奥会上花样滑冰的运动员们翩翩起舞，看着他们优美的舞姿，都会禁不住赞叹。花样滑冰不仅仅是一项体育竞技活动，还是一门艺术，它通过物理科学的支撑，将美演绎得淋漓尽致。我们来简单探讨花样滑冰中蕴含的一些物理学原理及旋转和跳跃中的物理基础及技巧，从而对花样滑冰有更好的认识。 关键词：花样滑冰 物理原理 旋转 跳跃 一、花样滑冰中蕴含的物理学基本原理 1、摩擦 从某种层面上说，在地板上和在冰面上跳舞的区别就是摩擦力减小。光滑的冰面对于物体——譬如在冰面上拖曳的冰刀——施加极小的摩擦阻力。对比起木地板来说，冰面的摩擦力要小得多，这就使得滑冰选手一但启动，就能不受摩擦力牵绊，顺畅滑翔冰面。与此同时，如果冰面上完全没有摩擦力，也没法滑冰，因为当滑冰选手启动时，正是冰刀和冰面间的摩擦力使得他们开始动作。也只有摩擦力的存在选手们才能停下来。 2、动量 动量，基本上就是要让移动物体停止运动需要使的力量。根本说来，物体越重、运动速度越快，它的动量就越大，要减速就越难。  角动量适用于围绕固定物旋转的物体，如双人滑冰。角动量的大小，取决于旋转中的滑冰选手的旋转速度、体重和绕旋转中心的质量分布。因此，对于以相同速度旋转的两个同质量选手来说，肢体在空间中更为外扩的那个选手将具备更大的角动量。 由角动量守恒知，当一名花样滑冰运动员转弯时，收起臂膀转得更快。伸展双臂时，其质量分布空间更大。当收起双臂时，分布空间减少，于是其速度一定会加快以弥补差异，从而保持总动量不变。 3、牛顿第三定律 正是由于作用力与反作用力的相互作用使得选手游弋冰面。当他们后蹬冰面启动时，或用冰刀“敲击”时，他们正向冰面索求对于向下、向后力量的反作用。于是，冰面反推回去，提供了前进和上升的力量，推动选手滑翔或跳跃，而力量细节取决于选手们原作用力的特殊性。因为向前的推力仅受到冰面的轻微摩擦阻力，所以运动员可以轻易的滑行出去。 二、旋转中的物理学 完成多周跳时, 运动员对冰的作用力形成初旋转, 运动员一旦进入空中就无法改变动量矩, 转动惯量和角速度积不变, 因此运动员完成三周半和四周跳时,在离冰前必须获得较大的角速度; 转动惯量依赖于身体的姿势, 四肢展开要比收紧时的转动惯量大, 因此四肢远离转轴时旋转变慢; 虽然运动员在空中飞行期间动量矩无法改变, 但旋转的速度可以改变, 当四肢展开时, 旋转速度则降低, 收紧四肢则相反, 旋转速度增加, 当运动员落冰时, 展开四肢, 转速度则降低。 根据生物力学研究结果, 可以表明: 运动员完成一周半、两周半和三周半跳时，旋转速度逐渐增加，平均转速为2.9圈/秒；4.3圈/秒；4.9圈/秒。测定知运动员三周半跳的旋转速度为4.6-5.4圈/秒，比一周半跳快70%。数据表明, 三周半跳的起跳动量矩比一周半和两周半大, 角动量矩越大就越容易完成三周半跳, 三名运动员三周半跳起跳制动的长度和宽度都比一周半和两周半跳大, 这种技术有利于运动员增加角动量矩。运动员也可以运用两臂和浮足在起跳时增加角动量矩, 运动员在完成一周半、两周半时, 两臂和浮足摆动比三周半跳高, 但起跳慢。 三、跳跃中的物理学 1、跳跃中的物理学基础 在分析运动员跳跃速度和距离及时间之间的关系时, 我们必须考虑: 垂直和水平速度, 如果运动员在起跳时, 有较高的垂直速度, 则会获得较大的高度和较长的空停时间。研究表明: 一周半、两周半和三周半跳的空中停留时间和高度基本类似, 飞行距离由水平速度和飞行时间确定, 两名运动员跳跃的高度相同,空中停留时间也相同, 但由于水平速度不一样, 因此跳跃的距离就有差别; 水平速度越大, 飞行距离就越远, 一周半比两周半远, 三周半跳距离小,是一周半跳距离的72 % 。 有许多运动员认为三周半跳要比一周半和两周半跳的高, 但生物力学研究表明不是这个结果; 这个错误的概念可以从运动员的起跳角度和速度得到说明, 虽然三周半跳的起跳角度较大, 由于降低了水平速度, 因此高度没增加, 表明起跳制动的长度和宽度增加, 因而水平速度降低, 虽然制动可以增加角动量矩, 但由于冰刀和冰之间产生较大的阻力, 因此降低了水平速度(起跳前的准备动作速度降低, 在研究中没测量) 。许多教练员认为运动员的三周半跳准备动作的速度要比一周半和两周半慢。 2、跳跃动作的实质 花样滑冰的跳跃动作是以在空中旋转的周数作为难度指标，高度是完成空中转体周数的保证，也是表现一个动作的质量标准，但决不是难度标准。实质上花样滑冰的跳跃动作是跳与旋转的巧妙结合。运动员在跳的基础上获得合理的旋转冲力是花样滑冰技术训练的主要内容。高度是由垂直而获得的，旋转冲力是