跳台滑雪的物理学:如何飞得最远,落得最好?

跳台滑雪的物理学:如何飞得最远,落得最好?
2022年02月17日 10:40 新浪科技
利用空气动力学和物理学概念,跳台滑雪运动员可以在至少一段时间内克服重力。利用空气动力学和物理学概念,跳台滑雪运动员可以在至少一段时间内克服重力。

  当我们竭尽全力跳起时,可以保持大约半秒钟的腾空状态。作为篮球飞人,迈克尔·乔丹可以在空中停留近一秒钟。在冬奥会上,很多比赛项目都要求运动员在高空表现出非凡的运动能力和力量,但没有哪个项目能像跳台滑雪那样模糊跳跃和飞行之间的界限。

  跳台滑雪可能是冬奥会上最能够展示物理运动的项目之一。获胜的运动员需要飞行得最远,同时做出最佳的姿势并完美降落。借助滑雪板和身体姿势的变化,跳台滑雪运动员仿佛拥有了翅膀,得以克服重力。他们可以在空中停留5到7秒,飞行距离相当于一个足球场的长度。那么,他们是怎么做到的呢?

悬挂式滑翔机有很大的机翼,非常符合空气动力学,而且非常轻。所有这些都能在没有发动机的情况下最大限度地提高升力,实现长距离飞行。  悬挂式滑翔机有很大的机翼,非常符合空气动力学,而且非常轻。所有这些都能在没有发动机的情况下最大限度地提高升力,实现长距离飞行。

  如何飞翔?

  在跳台滑雪的物理学中,有三个主要的概念:重力、升力和阻力。

  重力将飞行中的任何物体拉向地面。对所有物体而言,重力的作用都是平等的,运动员们没有办法减轻它的影响。但是,运动员在飞行和做动作时也会与空气互动。正是这种相互作用产生了升力——由空气推动物体而产生的向上的力。如果升力与重力大致相等,物体就可以滑翔或飞行。

  为了产生升力,物体就需要处于运动状态。当物体在空气中运动时,其表面与空气中的粒子碰撞,并将这些粒子从物体的运动轨迹推开。根据牛顿第三运动定律,空气粒子被向下推时,物体就会被向上推。牛顿第三运动定律认为,每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。于是,向上推动物体的空气粒子就产生了升力。速度提高和表面积增加都会使升力增大。物体相对于气流方向的角度,也就是迎角,也会影响升力。迎角太陡的话,物体就会失速;如果过于平坦,物体就无法向下挤压空气粒子。

  这一切看起来似乎很复杂,但如果你曾把手伸出车窗,就能完美地理解这些远离。如果你的手完全平放,那它大致会停留在原来的位置;但如果你把手掌倾斜,使底部面对风的方向,那你的手就会与空气粒子碰撞,被向上推。这就是升力。

  物体与空气的碰撞既提供了升力,也产生了阻力。阻力会阻碍物体向前的运动,使其减速。随着速度的下降,升力也会下降,从而限制了飞行的距离。

  对于跳台滑雪运动员来说,他们要做的就是小心地改变身体姿势,以最大限度地提高升力,同时尽可能地减少阻力。

跳台滑雪运动中的许多规定,比如起点的高度和滑雪板的长度等,都是根据自然条件和运动员自身的身高和体重而变化的。  跳台滑雪运动中的许多规定,比如起点的高度和滑雪板的长度等,都是根据自然条件和运动员自身的身高和体重而变化的。

  在滑雪板上飞翔

  滑雪者从高高的助滑道开始向下滑,产生足够高的起飞速度。在这一过程中,他们通过下蹲和小心地转向,来减少滑雪板和坡道之间的摩擦,使阻力降到最低。在到达终点时,他们可以以每小时96公里的速度前进。

  助滑道的终点也是起跳点,仔细看的话,你会发现起跳点实际上呈略微向下的10度角。就在运动员到达助滑道的尽头时,他们会腾空而起。滑雪场的降落坡在设计上模拟了跳台滑雪运动员即将着陆的路径,使他们永远不会超过地面3米到4.6米。

  一旦运动员腾空,一些有趣的物理学过程就开始了。

  跳台滑雪运动员会尽其所能,在减少阻力的同时产生尽可能多的升力。当然,运动员们永远不可能产生足够的升力来完全克服重力,但如果产生的升力越大,他们下降的速度就越慢,往坡下就会飞得越远。

  要做到这一点,运动员们要使自己的身体和滑雪板与地面几乎平行,同时把滑雪板放在身体的外侧,形成V字形。这一姿势增加了产生升力的表面积,使运动员处于理想的迎角,也将最大限度地提高升力。

  在飞行过程中,阻力会降低滑雪者的速度,使升力下降,同时重力仍在将滑雪者往下拉。因此,滑雪运动员会下降得越来越快,直到着陆。

  遵循物理规律

  有如此多的物理因素在滑雪过程中发挥着作用,风的影响,滑雪设备的选择,甚至运动员自己的身体,都可能在很多方面影响跳跃的距离。因此,为了保持比赛的公平和安全,国际滑雪联合会制定了许多规定。

  在观看比赛时,你可能会注意到举办方会将起点上下移动。这种调整是根据风速来进行的,因为更快的逆风将产生更大的升力,导致更长的飞行距离,从而可能越过安全着陆区。

  滑雪板的长度也与滑雪者的身高和体重有关。滑雪板最多可以达到滑雪者身高的145%,身体质量指数(BMI)低于21的滑雪者必须使用较短的滑雪板。长滑雪板并不总是有利的,因为滑雪板越重的话,你就需要产生更多的升力来保持在空中。最后,滑雪者必须穿着紧身衣,以确保他们不会利用衣物来产生额外的升力。

  2022年北京冬季奥运会精彩纷呈,当我们惊叹于运动员们的出色表现时,不妨花点时间,思考一下他们都经历了哪些有趣的物理学过程。(任天)

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