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在刚刚落幕的第25届冬季奥林匹克运动会上,自然法则似乎每天都面临着挑战:花样滑冰运动员在一次跳跃中要旋转4圈,雪橇运动员要承受5倍于重力的力量。然而,有一项运动尤其令科学家着迷。据《自然》报道,经过一个多世纪的研究,物理学家仍无法完全理解冰壶运动,特别是沉重的花岗岩冰壶在冰面的滑行方向为何与预期相反。
1924年,冰壶首次在冬奥会上亮相。比赛由两支队伍进行,双方轮流将重约19公斤的花岗岩冰壶推过冰面,滑向目标区域。如果运动员顺时针旋转冰壶,它最终会向右旋转,反之亦然。与此同时,其他队员负责“扫冰”动作,即通过刷冰帮助冰壶滑行。最终,冰壶因与布满冰晶的冰面摩擦而减速直至停止。
尽管这项比赛的最终目标很简单——让自己的冰壶离目标最近,但其内在物理原理却令人费解。如果在地板上顺时针旋转一个圆形物体,例如碗,同时向前推动它,你会发现这个碗总是向左旋转——这与在奥运会直播中看到的情况完全相反。物理学家一直试图弄清冰壶为何如此不同,但至今没有明确的答案,一些科学家甚至分裂成支持不同假设的阵营。
一种观点认为,当冰壶顺时针旋转时,底部的滚动带会在冰面上形成划痕。加拿大萨斯喀彻温大学的Sean Maw表示,当旋转的冰壶尾端碰到前端留下的划痕时,就会向右偏转。
2016年,有物理学家发表了一篇论文,描述了一种“枢轴-滑动”模型,认为冰壶在冰面上的整体弧线是由许多较小的运动组成的。例如,对于顺时针旋转的冰壶,其右侧的一个点会卡在冰上,导致冰壶轻微旋转,直到松开并向前滑行。这个过程会不断重复,并且一连串这样的小旋转会产生一种卷曲效应。论文作者、加拿大北不列颠哥伦比亚大学的Mark Shegelski表示,这种现象“在冰面的远处更容易发生,因为冰壶的速度降低了”。
此后,其他研究人员对这一模型进行了自己的“解读”。日本立教大学的Jiro Murata对冰壶的摩擦进行了观测,发现这些摩擦与轴心点的概念相符。在2022年的一项研究中,Murata将冰壶推过冰面100多次,拍摄了运动轨迹,并利用图像分析技术进行了追踪,精确至百分之一毫米。他发现,当冰壶顺时针旋转时,其右侧与冰面产生的摩擦点比左侧多。这些摩擦点如同支点,在冰壶滑过冰面的轨迹中起着关键作用。Murata表示,这些发现“与轴心理论完美契合”。
几年后,居住在加拿大多伦多的冰壶运动员Clifford Jenkins与儿子和一位航空航天工程师合作,研究了冰壶底部的微小凸起是如何影响其旋转的。Jenkins最初启动这项研究是为了展示冰壶运动中最好的扫冰方法。然而,他很快意识到,这项运动的基本物理学原理需要更深入的解释。
在一项实验中,Jenkins等人让一位冰壶运动员掷出不同类型的冰壶:一些底部凸起较短,一些则较长(类似于砂砾含量较少或较多)。结果显示,凸起较长的冰壶往往产生较大的旋转。他们表示,这一发现扩展了枢轴-滑动模型,即冰壶底部的凸起有助于形成枢轴点。
Maw对此表示赞同,并指出2024年的一项研究表明,冰壶在冰面的滑行过程中经历了3个不同的摩擦阶段。他表示,这可能意味着不同的模型适用于特定的阶段。这个谜题的答案“将是多种理论的结合”。
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