速滑為什麼左右晃?冰刀為什麼要鋒利?

祝賀任子威晉級半決賽!!北京時間2月9日,冬奧會短道速滑比賽在首都體育館舉行,我們的任子威在男子1500米1/4決賽中成功晉級半決賽。

速滑為什麼左右晃?冰刀為什麼要鋒利?

觀眾可能注意到速滑的選手在激烈的比賽中都會“不由自主”地晃。小朋友學走路要是左右晃,那一定會被家長糾正的!但速滑為啥總是左右晃呢?

答案是人類走路的推力方向與行進方向相同,而速滑冰刀的推力方向總有沿賽道垂直的分量,該分量的方向交替改變從而讓運動員左右晃。

人類走路是靠後腳掌向後下推而使得地面對人體有向前的反作用力,後者推動人體質心向前。隨後,後腿抬起,被軀幹拖到前方。後腿變前腿,後腿變前腿,如此交替,人就前行了。前行的關鍵是從地面獲得向前推力。

速滑的推力不是透過冰刀向後推動而獲得的。冰刀刀鋒與冰面之間的摩擦力非常小,若冰刀往後方推,則根本用不上勁。那麼速滑選手究竟是怎樣從地面獲得推力的呢?

原來速滑選手用力推冰刀推,冰刀並非平行於賽道前行的方向,賽道與冰刀有夾角α(如圖所示)。而且選手是向冰刀側向推(並非沿冰刀縱向推)。地面反作用力自然也是側向的

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後推,但是因為有夾角α,所以地面反推力沿賽道方向的分量

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縱使得人體重心獲得加速度。

速滑為什麼左右晃?冰刀為什麼要鋒利?

如同人體正常走步,

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縱讓人體重心前移之後,後腳必須提起來凌空邁向前方,變成前腳。剛才的前腳變後腳,如此交替滑行。

地面對冰刀側向推力讓人體重心移動的分量外,還有與賽道垂直的分量

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橫。這個分量肯定會推動人體重心在垂直於賽道方向有加速度,從而造成左右晃。

前腳冰刀幾乎平行於賽道方向,沿這個方向摩擦力很小,處於滑行狀態。垂直於賽道(冰刀)的橫向有較大的作用力,這個力透過前腿能部分抵消來自後腿的橫向推力,但只是部分。未抵消部分後腿橫向推力讓人體軀幹向另一側晃。

前腿變後腿後,後腿橫向推力方向改變,軀幹又向另一側晃。如此交替,選手在賽道上滑行的同時就左右晃悠了。

顯然上述滑行過程,冰刀很關鍵。只有冰刀刀鋒比較鋒利,後腳的冰刀在冰面才能壓出比較深的刀痕。只有有了比較深的刀痕,運動員的腿才能用上勁,從而冰面才能提供足夠大的反作用力。如果後腿的冰刀不鋒利,那麼必然在冰面打滑。

也只有冰刀刀鋒足夠鋒利,前腳的冰刀才能將冰面壓出液體水來。有了液體水這層潤滑液,前腳冰刀的摩擦力才會足夠小。

從上面的受力分析可知:後面的冰刀角度α很關鍵。α越大,

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縱也越大。但是運動員腳掌外翻的角度受生理的限制不能達到90度,而且即便達到90度,其推力的力度將下降。最佳化的角度需要運動長期訓練習慣形成。

如果能在後腿時改變角度,而在變成前提滑行時回到與賽道平行的角度,將會大大提高速度。只是這種角度切換不知能否實現(靠AI智慧控制實現,就失去比賽的味道了)

力學分析是幹什麼的?力學分析就是找到那些地方需要用力,那些地方需要滑,這樣該用力地方製造能用力的條件,而該滑地方製造滑的條件。