滑雪的一些原理:一些基本物理概念

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滑雪中总能遇到一些所谓的概念,例如重心的三轴移动,包括前后,上下,左右三个方向的“重心”移动,其实这是一种通俗的说法,我们要了解其实质结果是影响雪板压力的变化,以及为了平衡转弯时的向心力产生的倾斜。我们先从明确一些基本物理概念,再通过深入分析来看待这种类型的问题。

雪板能够转弯的基本条件:雪板的侧切(Sidecut)和雪板的弯曲形变(Flex)。这两个基本条件是互相配合共同作用的。通常侧切形状里面包含了不同半径的圆曲线结合摆线(最速降线,阿基米德螺旋线、三次方椭圆曲线等回旋线或缓和曲线),作为大众级雪板通常采用的侧切形状设计,采用计算一个比较通用的平均的侧切形状,在不需要特定侧切的情况下,配合适当的雪板弹性分布就可以满足大规模生产的目的。但在高性能雪板或者竞技级别雪板中,就像赛车一样,需要进行专业的针对线路和雪质具体需求进行开发和调整,需要在雪板不同的部位设置不同的侧切,同时还要结合雪板的弯曲形变程度来改变侧切。在高速的前提下,不同的弯道线路形状,弯道的不同阶段,加速减速以及滑手主动的负重转移进而造成雪板不同压力变化条件都会影响雪板的弯曲形变。如何结合侧切和形变都是经过长期的研发和测试的结果,是设计和调试雪板最为关键的工作,需要投入很大的精力和资金。也是这种类型雪板比普通雪板贵很多的原因。这与赛车的道理是相通的,都是要在抓地力极限的边缘,以最短的时间(而不是最短的距离或是更快的速度)获得胜利,而比赛中的失误往往是突破了抓地力的极限,或者压力分布不当造成的抓地力不足,进而造成的减速或者打滑失控。

滑雪者操控雪板发生转弯的基本条件:立刃(Edging)和施压(Pressure Control),这部分将在以后的滑行要素里面具体讲述。

重心:物理学重心是指物体各部分重力的合力作用点。

质量:组成物体的物质的总量。

平衡:当作用在物体上的力处于平衡状态时即为平衡。

转动轴(旋转轴、支撑轴、平衡轴):质心和支撑点之间的连线为转转动轴,当物体处在转动平衡状态时,转动轴上合力矩为0,当有离心力作用在运动系统之上时,转动轴就会发生倾斜。

倾斜(Inclination):滑雪时通常会遇到两种基本物理条件:斜面和离心力,而倾斜是转动轴为了达到平衡而形成的轴的倾倒,这是一种姿态不是一种动作。倾斜与滑行速度直接相关。

成角(折角、很多说法都称之为“反弓”:Angulation):是提高立刃角度的方式,是动作不是姿态。很多概念中的反弓是指脊柱的成角,但在专业竞技领域,脊柱的中立位是在高速下保持稳定的基础,脊柱的成角会影响结构的稳定性。因此发生脊柱侧弯的反弓概念不适合高速下的结构。

质心(COM:Center of Mass):物体的质量中心,是一个假想的点,物体的所有质量均匀地分布在这个点的周围。(足球的质心正好在中间,鸡蛋的质心更靠近圆的那端)。在人体上,不同的身体类型具有不同的质心相对位置。男性质心通常在肚脐部位上方,而女性质心通常在肚脐部位下方。在单板滑雪中,滑雪者的质心会随着身体的姿态而改变,有时候质心还会在身体之外(例如成角“反弓”或者抓板的时候)

支撑面(BoS:Base of Support):支撑身体或物体大部分重量的位置。支撑面越大,物体就越稳定。当单板滑雪时,滑雪者可以通过平板滑行或者将重量均匀分布在整条板边上来提高稳定性。滑雪者通常选择一个稍长的雪板来增加道外自由滑行时的稳定性,而选择一个稍短的雪板来增加玩花样时的稳定性和可玩性。在双板滑雪中,支撑面也通常指脚或支撑脚,“支撑面”是“多边形支撑”中的“平衡点”(将平衡集中于一点,见图)。当滑雪者单脚站立时,支撑面是板边上的一个面,当两支雪板支撑滑雪者时,支撑面位于两板之间。理解支撑面的重点是当讨论平衡的时候,那些能够简单定义为滑雪者的质心和支撑面之间的联系。

支撑轴(AoS,Axis of Support):雪板的受力面(支撑面)和质心的连线。通常作为倾斜角度的判断。支撑轴与雪面的夹角即为倾角。在双板里叫做中心轴线模式,但是由于单板的宽度远大于双板,因此支撑轴会在雪板前后刃之间发生移动而不是固定在雪板正中间,因此无法固定雪板的中心轴作为倾斜面,需要通过移动支撑轴,然后再判定倾斜的角度。支撑轴的移动,意味着质心的移动,也就意味着核心(骨盆)的移动。

稳定性:稳定性是指物体对平衡改变时的阻力。一个低的,宽的物体通常比一个高的,窄的物体更加稳定。改变站姿宽度会影响稳定性,宽的站姿更稳定,窄的姿态不太稳定。但如果站姿过宽,滑雪者就会很难移动,而更窄的站姿在压板头或板尾时可以提供更大的支撑面。增加稳定性的三个要素:1.质量:质量越大,物体就越稳定。在单板滑雪里,体重大的滑手在起伏的雪面上更有优势,因为需要更大的力来打破他们的平衡。2.质心位置:质心越低,物体就越稳定。因此当过弯,起跳落地或者呲杆时,屈膝蹲下来会变得更稳定。3.支撑面:支撑面越大,物体就越稳定。

蹬雪角:立刃角 φ,可以通过两个条件来改变立刃角度:倾斜和成角。

动量:动量=质量X速度,p=mv

冲量:冲量是一段时间内施加力的结果,物体所受合外力的冲量等于动量的增量。冲量是一个过程量,是作用在物体的力和作用时间的乘积。如果我们给物体施加一个力,就可以改变其动量。冲量可以看做是改变一个物体运动速度或方向的力。冲量可以在长时间或短时间内产生,在需要改变速度或方向的情况下,冲量至关重要。每次当滑手在转弯,跳跃或在不同的地形上滑行时,都会产生冲量。滑雪者的身体运动也会产生力的冲量。迅速的垂直运动可以在雪板和雪面之间产生一个力的冲量。如果滑雪者处在一个非常蜷曲压缩的姿态上并迅速伸展,这将在雪板和雪面之间产生压力。当滑雪者伸展到最大程度,由于质心的持续向上的动量,雪板会短暂的减重甚至失重。而重力的作用会导致质心回落降下来。质心的突然向下运动开始时会在雪板上产生减重效果,但是当滑雪者开始达到完全蜷曲的姿态使质心开始减速时,将会产生力的冲量,造成对雪板的增重效果。

雪面的反作用力:雪面施加在雪板和滑雪者身体上的力。例如:站在地面上的人对地面施加压力(等于人的体重),同时地面对人施加大小相等但方向相反的反作用力。当滑雪者滑过一个雪包时,雪面产生相对于滑手和雪包发生碰撞的动量的大小相等方向相反的力。滑雪者的感受是雪板和雪面之间的“压力”。当站在雪道的坡面上,雪面反作用力的一部分会让滑手沿着下降线向下移动。在一个转弯过程中,压力随着雪面反作用力在雪板上逐渐增加而增大。例如,在一定的速度和弯道形状下,小半径刻滑转弯将在雪板上产生较大的反作用力(压力更大),而具有相同形状的较大半径的刻滑转弯将产生较小的反作用力。通过滑动雪板搓雪通过弯道有助于滑雪者减速,因为没有那么多的力笔直地朝向支撑面,作用于滑雪者的雪面反作用力就会降低。

弹性势能:弹性势能是由于弹性物体的形变而储存的能量,对于滑雪运动而言,滑雪板的弯曲和恢复就是一个储能和释放弹性势能的过程,也是压力控制的基本要素,通常将其分成三个阶段:CREATE, CONTROL & RELEASE,创造、控制和释放。从佛学的角度可以分成四个阶段:成、住、坏、空。

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