听说你也喜欢看冰壶？_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2022-02-02 22:12
原创：中科院物理所
今天是大年初二
同时也是二〇二二年二月二日
在这个充满二的日子里
中二所当然不忘记
今天
就有冬奥会的第一场比赛哦
---正片开始---
众所周知
冰壶
其实是一项
智力与体力并存
展现动静之美
取舍之智慧
被誉为**“冰上国际象棋”**
的竞赛项目
国家男子冰壶队队员：姜东旭
国家女子冰壶队队长：韩雨
作为2022北京冬奥会场次最多、赛程最长的项目，冰壶项目的看点在哪里呢？莫急莫急，且让小编为你慢慢道来~
01
边擦地板边“咆哮”，
我只觉得吵闹？
冰壶🥌的起源可以追溯到600年前的苏格兰。一方面，人们挖到一个印着1511年的冰壶石；另一方面，有两幅1565年的油画描绘了人们玩冰壶游戏的故事。
冰壶石，《冬景》与《雪中狩猎》
来源：sohu@冰壶汇
到了18、19世纪的时候，苏格兰移民者把冰壶游戏带到了加拿大和美国。接着冰壶在加拿大得到了进一步的发展，器材也在20世纪时被标准化。到现在，世界各地都在玩冰壶，并从1998年开始将其纳入冬奥会比赛项目。
对于初次看冰壶比赛的童鞋，很可能会有这么三个问题：
1. 他们为什么要擦地？
2. 他们喊啥？
（难道冰壶是声控的嘛）
……
3. 咦，我为什么要看冰壶？
所以小编觉得有必要为大家整理一下，冰壶比赛的基本规则——
冰壶比赛规则（青春版）
简单来说，冰壶比赛就是2个队，每队4人，轮番把16个40斤的冰壶投进约摸30米远的大本营中（一人投俩）。比赛结束后，在大本营中，所有冰壶更靠近圆心的队伍得分，并且有多少冰壶更靠近圆心就得多少分。
比如这两种情况，均为红队获胜，分别得1分(左)和2分(右).
以上两图来源：柴知道
就这样进行10场比赛，每场比赛得分加起来作为最后的总得分。在冰壶比赛中，由于后投者可以将大本营中已有的冰壶撞开，所以这并不是一个简单的比准头的比赛，而是一次讲究策略的博弈——投壶队员需要通过“咆哮”的方式，指挥擦冰队员在冰壶前方擦冰，以控制冰壶的速度和方向。
冰壶比赛的亮眼操作
（可惜动图没有声音。所以一定要看比赛视频，听一下冰壶比赛专属咆哮哦）
02
冰壶这么重，
怎么滑得动？
从运动学的角度来看，冰壶就是一块在冰面上一边自转一边平移的大石头。冰壶的运动主要由与冰面的摩擦决定。对于冰壶这种本身和冰面接触面积很大，压强很低的物体，降低摩擦的方法，就是适度减少接触面积。一方面，接触面积小了，压强就提高了，冰熔点会下降得更多（虽然理论已经表明，熔点不会下降太多）；另一方面，更小的接触面积会让摩擦产生的热量被更少的冰吸收，这样这一小部分冰就更容易融化。
为了减少接触面积，冰壶的底部不是平的，而是中部内凹——其真正可以接触冰面的面积只有一个圆环，我们称为**【移动环】**。一般来说，这个移动环的直径为13厘米，宽度在3-8毫米左右。这大大降低了冰壶与冰面的接触面积。
从底部看，冰壶中心是内凹的
来源：参考文献[1]
但这还不够，如果把40斤的冰壶放在平坦的冰面上，摩擦力还是太大，冰壶前进会很困难。因此，制冰师通常会采取**【冰粒】的技术，来减少冰壶与冰的接触面积。他们会在平坦的冰面上挥舞喷头洒水**，喷出的水凝结成小冰粒后，会让冰面变得凹凸不平，这样冰壶放在冰面上，实际上只会和冰粒的顶点附近接触，接触面积大大减小，相应地摩擦力也变小了。
制冰师看似在随意的洒水，其实在这个过程中他们手臂摆动的次数、走路的速度、水箱和喷头的高度差、水的温度等等，都需要得到控制。
来源：Smarter Every Day
考虑到冰壶在冰粒上产生的压强能达到好几MPa（具体值与温度和应变率有关），有时候小冰粒会发生屈服甚至断裂，形成更小的冰渣和碎片。事实上，要想进一步地减少摩擦，常用的办法之一就是摩擦冰面，也就是**【刷冰】。有各种各样的刷子——玉米刷、马毛刷，以及更高端的合成纤维刷。通过刷冰可以瞬时提高冰的表面温度**，使冰壶走得更远，还有更直。这种做法听上去非常暴力，实验上也很难精确测定到底会有多高的温度提升，只是知道大概应该在1℃ 的量级上。但是实践表明，大力是可以出奇迹的……
通过改变刷头运动速度、频率和压力得到三种擦冰策略下的冰壶轨迹，其对应冰面温度分别比不擦冰高0.5℃、1.0℃和1.5℃。可见随着擦冰越加用力，冰壶滑的更直，也更远。
来源：参考文献[1]
03
关于冰壶转弯的事情，
至今仍是一个
谜
不过等一等，在探索“刷冰会让冰壶走得更直”这个问题之前，我们似乎还没弄明白冰壶为什么会**【转弯】**吧？
（自信点，把“似乎”去掉）
的确，冰壶转弯的秘密至今没有一个清晰的解答。事实上，一般认为自转的冰壶，各点的摩擦系数是不一样的，“后缘”摩擦系数大约是“前缘”摩擦系数的十倍！为方便起见假定冰壶是逆时针旋转（从上往下看），这个时候前缘在向左转动，因而会受到一个向右的摩擦，同理后缘会有一个向左的摩擦。由于后缘的摩擦系数远大于前缘，冰壶受到的总摩擦力会是向左的，于是冰壶就向左偏转起来了。显而易见，总摩擦力会和自转的角速度相关，控制好角速度，再结合上合适的初速度与冰面温度，就可以得到满意的轨迹。
至于为什么后缘摩擦系数大于前缘，则众说纷纭了。这里为大家列举其中两种模型：“划痕论”和“非对称摩擦融化论”。
划痕论
瑞典的Harald Nyberg博士提出了一种有趣的模型：冰壶移动环行进时，环上与冰接触的点会留下划痕，而且前缘会先留下的划痕（如图(a)所示）。所以，当后缘前进时，会部分地**“踩到”前缘的“脚印”（即划痕，如图(b)所示），这个划痕会像火车轨道一样将后缘往前缘行进的方向上拉**，从而产生侧向力。
划痕模型的示意图
来源：参考文献 [2]
非对称摩擦融化论
而来自加拿大的Mark Shegelski博士提出，冰壶在前进时，其旋转方向与前进方向一致的部分，会因为与冰面更大的相对速度，而产生更多的摩擦；而这更多的摩擦融化冰面产生的水会顺势转移到前缘，从而减小前缘的摩擦系数，最终产生上文所分析的侧向力。
非对称摩擦融化模型的示意图.
来源：Smarter Every Day
目前这些理论各有优劣，科学家们谁也说服不了谁，因此“冰壶为什么会偏转”还是一个可以继续探索的问题呢~ （冰壶比赛新看点get：探索冰壶的偏转之谜
04
吾壶，起飞~
虽然冰壶轨迹偏转的原因尚未明确，但有一个物理定理是可以很容易观测到的——那就是动量守恒定理。长话短说，就让我们一起来看看，冰壶比赛里那些动量守恒激动人心的名场面吧~
NO.1
图片来源：bilibili@囧呐呐
NO.2
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今晚****20：05
冰壶混双第一轮比赛即将开始
中国队****将迎战瑞士队
预祝运动健儿们
冬奥遇冰，冰冰有礼；
虎年掷壶，壶壶生威！
让我们一起为中国冰雪加油吧！
参考文献
Francesco Braghin, Federico Cheli, Stefano Maldifassi, Stefano Melzi, and Edoardo Sabbioni, editors. The Engineering Approach to Winter Sports. Springer New York, 2016.
H.Nyberg,etal.,Theasymmetricalfrictionmechanismthatputsthecurlinthecurlingstone,Wear(2013), http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2013.01.051i
Anne-Marie Kietzig, Savvas G. Hatzikiriakos, and Peter Englezos.Physics of ice friction. Journal of Applied Physics, 107(8):081101, apr 2010.
冰壶（冰上投掷性竞赛运动项目）_百度百科 (baidu.com)
（北京冬奥会·冰壶）北京冬奥会冰壶比赛队伍阵容全部出炉 (baidu.com)
北京冬奥入门：看似擦地板的“咆哮游戏”，竟是冬奥会比赛场次最多的项目！_腾讯新闻 (qq.com)