高亭宇为啥起跑时右脚与赛道垂直?直道时为啥左右摆臂?
2月12日下午,中国选手高亭宇状态神勇,以34秒32的成绩夺得速度滑冰男子500米金牌。这是中国第四枚金牌。祝贺高亭宇小伙子,祝贺中国队!细心的观众会发现高亭宇起跑的右脚与赛道几乎成90度(看见田径短跑有这个姿势吗?),而在直道快速滑行时左右臂摆的很夸张。这是为什么呢?
答案是滑冰的推力是来自冰刀的侧推,而并非像田径比赛的跑鞋那样来自纵蹬。也正因为来自冰刀的侧向推力,选手在直道加速时要左右摆臂,以减缓人体质心的晃动。
起跑时候,冰面推力越大人体加速度越大。如果顺冰刀纵向推,那么因为冰刀与冰面之间的摩擦系数相当小,运动员腿根本用不上力,因此冰面的反作用很小。
冰刀会在冰面形成沟痕。冰刀”夹在"沟痕中,沿冰刀的纵向很容易滑行,而沿沟痕侧向很难运动。因此选手沿沟痕侧向用力,就能获得冰面大的反作用力(下两图为花滑冰刀的划痕,速滑亦然)。
因为需要起跑加速度沿赛道方向,所以冰面反作用力也必须沿赛道方向。这就要求冰刀(冰鞋)须垂直于赛道方向。
在滑行过程中,冰刀的理想方向也应垂直于赛道,从而获得最大加速效果。然而人体的生理结构和滑行的快速运动有限制,无法实现垂直(起跑时是静态姿势,容易实现)。
滑行中冰刀和赛道的夹角为α(<90度),受力如下图所示。
地面反作用力自然也是侧向的F后推,但是因为有夹角α,所以地面反推力沿赛道方向的分量F纵使得人体质心获得加速度。
地面对冰刀侧向推力让人体质心沿赛道加速外,还有与赛道垂直的分量F横。这个分量肯定会推动人体质心在垂直于赛道方向出现加速度,从而造成左右晃。为了让身体晃动尽可能小,这就需要左右手臂甩起来形成反作用来抵消。
因为直道的比赛状态单一,所以运动员在直道上加速,于是左右胳膊很夸张地来回摆。
在弯道处,离心力容易导致人体不稳,选手不敢加速,故而取保守动作,即尽量让两脚平行于赛道滑移。这样手臂摆动就不明显了。
按牛顿惯性定律,运动员应沿直道惯性滑行,但是运动员必须主动拐弯以顺赛道滑动。从赛道角度来看,直行的运动员有离开赛道圆心的力量,此力就是假想的离心力。
运动员主动拐弯改变了直行的惯性状态,因而需要有外力。这个外力是对人腿侧蹬冰刀对冰面的反作用力。
这个反作用力作用于运动员脚底,指向赛道的圆心,会对人腿向赛道圆心方向翻转。为了平衡这个翻转效果,人体头部就必须主动向赛道圆心倾斜。这就是赛道处的选手为啥倾斜的原因。
显然,冰刀很关键。只有冰刀刀锋比较锋利,冰刀在冰面才能压出比较深的刀痕。只有有了比较深的刀痕,运动员的腿才能用上劲,从而冰面才能提供足够大的反作用力。如果冰刀不锋利,那么必然在冰面打滑。
也只有冰刀刀锋足够锋利,前脚的冰刀才能将冰面压出液体水来。有了液体水这层润滑液,前脚冰刀的摩擦力才会足够小。
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