冬奧會里科學
作者： ${content.author} 時間：2022-08-27 瀏覽量：18,645同學們大家好，歡迎來到趣味科技館的課堂！
冬季奧運會大家看了嗎？
全世界的目光再次聚焦在了北京的奧運賽場上，并在全國掀起了一場冰雪運動熱潮！同學們，你們最喜歡哪個項目呢？滑雪？雪橇？冰壺？我聽到有人說滑冰？這可是一個極具觀賞性的冰上運動項目，特別是花樣滑冰，它結(jié)合了技巧性和藝術(shù)性，運動員曼妙的身姿“翩若驚鴻，婉若游龍”。大家可曾想過，這個項目里有哪些我們可以探究的科學知識呢？今天，老師就帶大家盤點一下，滑冰運動中的科學！
我們今天就重點講一下花樣滑冰！大家看視頻仔細觀察，發(fā)現(xiàn)了什么？這位同學們說，運動員在原地旋轉(zhuǎn)時，雙手展開時轉(zhuǎn)速不快，但將手收近身體時旋轉(zhuǎn)速度會越來越快。觀察得很仔細，那這是為什么？這就要涉及到一個物理概念，角動量守恒。那什么是角動量守恒呢？我們先來通過一個展項來體驗一下。
請大家看這件展品，這位同學你來試試吧！請你坐在座椅上，用手轉(zhuǎn)動把手上的轉(zhuǎn)輪，調(diào)整轉(zhuǎn)輪傾斜角度，會發(fā)現(xiàn)什么？
嗯，座椅所在的平臺會發(fā)生轉(zhuǎn)動。并且我們發(fā)現(xiàn)座椅轉(zhuǎn)動的方向與轉(zhuǎn)輪的方向是相反的。這是為什么呢？
原來轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生角動量。角動量方向遵循右手定則，四指指向旋轉(zhuǎn)方向，拇指為角動量方向。當改變轉(zhuǎn)盤方向時，轉(zhuǎn)盤的角動量方向發(fā)生變化，根據(jù)角動量守恒定律，把轉(zhuǎn)盤與座椅作為一個系統(tǒng)看待，座椅所在平面需要通過旋轉(zhuǎn)彌補轉(zhuǎn)盤角動量的改變。所以，椅子就發(fā)生旋轉(zhuǎn)了。
其中，描述軸心到四周的質(zhì)點之間旋轉(zhuǎn)速度物理量叫角速度，它用符號ω表示。而我們所說的角動量則等于物體的轉(zhuǎn)動慣量（I）乘以角速度（ω）。
提到轉(zhuǎn)動慣量，我們還要體驗另一件展品，請看這件看誰滾得快。請同學們猜一下，這兩個輪子誰最先從頂端滾到下端？
這位同學說掂量了一下，重量一樣，沒啥區(qū)別，大部分同學說一樣快，就是因為它們一樣，好！實踐出真知，讓我共同見證答案吧！
將兩個轉(zhuǎn)輪固定好，一起釋放，看！兩個轉(zhuǎn)輪起初速度一樣，但到達中路時，情況發(fā)生了反轉(zhuǎn)，其中一只輪子速度明顯快了起來，超過另一個，這是什么原因呢？讓我一起仔細觀查一下，我們發(fā)現(xiàn)，兩個輪子并不是完全一樣。它們身上帶有配種的金屬快，這可能是造成差距的原因。
轉(zhuǎn)動慣量與物體的旋轉(zhuǎn)半徑還有質(zhì)量分布有關(guān)。兩個轉(zhuǎn)輪的質(zhì)量分布明顯不一樣，質(zhì)量靠近軸心的轉(zhuǎn)動慣量要小，物質(zhì)轉(zhuǎn)的快；另外一只則相反，轉(zhuǎn)的慢。
根據(jù)角動量守恒定律得知，如果物體所受合外力矩等于零，或者不受外力矩作用，物體的角動量保持不變。 結(jié)合這個原理和展品，咱們來解釋花滑旋轉(zhuǎn)模型：
在光滑的冰面上旋轉(zhuǎn)起來時，若忽略摩擦力、空氣阻力，那么初始的角動量視為固定值，初始手臂伸展轉(zhuǎn)動慣量I。
在身體收緊時，就是將旋轉(zhuǎn)半徑r變小的過程，質(zhì)量集中身體軸心，即轉(zhuǎn)動慣量變小，根據(jù)角動量守恒，角速度自然就變大，所以就轉(zhuǎn)得越來越快，反之亦然。
在失重環(huán)境中轉(zhuǎn)動沒有摩擦力影響，這個實驗更加容易成功，例如在2020年12月9日的中國空間站《天宮課堂》上，航天員葉光富也做了一個角動量實驗：張開雙臂，轉(zhuǎn)得慢；縮回雙臂，轉(zhuǎn)得快，這可能是世界上最標準的角動量守恒實驗了。
我們在滑冰的時候不僅僅是在一條直線上運動，還需要在運動狀態(tài)下轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎的時候我們會發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象，就是運動員的身體會倒向一側(cè)，并且依舊能夠保持平衡，穩(wěn)定的滑動。這又是什么原理呢？那么這里我們就要了解一下曲線運動。
為了讓大家更好的理解曲線運動中的物體受力，在這里請看我的展項，離心力。我們再來看這件展項——離心力。請大家先觀看它的構(gòu)造。我們發(fā)現(xiàn)，它有兩根透明玻璃管，呈V形，分別有兩個小球，紅色的實心球，金色的空心球，管內(nèi)部充滿硅油。
那這位同學你操作一下吧！我們看到他轉(zhuǎn)動手柄，驅(qū)動兩支管子繞共同的軸心旋轉(zhuǎn)。當達到一定轉(zhuǎn)速后，觀看發(fā)生了什么？
我們發(fā)現(xiàn)原本沉在底部的實心球會上升到頂部，而原本浮在頂部的空心球反而會下降到底部。物體質(zhì)量越大離心現(xiàn)象越明顯，會向遠離轉(zhuǎn)軸位置移動，由于實心球、小球所排開的硅油、空心球三者質(zhì)量依次遞減，因此出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)后實心球上浮、空心球下沉的現(xiàn)象，這便是離心現(xiàn)象。
運動員滑冰時，肯定不愿被甩出滑冰場，那么我們就要利用使用其它的力來平衡這個“離心力”，當我們的身體以一定的角度傾斜時，就可以提供這個力，我們把這個力稱為向心力，這個向心力可以用來平衡轉(zhuǎn)彎時所產(chǎn)生的“離心力”，從而不被“離心力”所“甩出”。注意的是，離心力其實并不存在，它是我們方便理解離心現(xiàn)象而虛擬的一個力。
因此，滑冰運動員需要轉(zhuǎn)彎的時候，可以適當調(diào)整身體的傾斜程度來提供曲線運動所需要的向心力，從而保持運動平衡。
傾斜的身體可以用于提供轉(zhuǎn)彎時所需的向心力
圓周運動的小球需要繩子不斷提供拉力（向心力）
總結(jié)一下上面滑冰中所涉及的科學原理，優(yōu)美的滑冰運動在拐彎和旋轉(zhuǎn)的過程中，我們可以充分的調(diào)整姿勢，利用物理規(guī)律來達到我們想要完成的動作。
好了，同學們，以上就是關(guān)于滑冰中所涉及到的一些科學原理，是不是覺得很有趣呢？想了解更多有趣科學知識，請持續(xù)關(guān)注科技館的節(jié)目吧，再見！
