溜冰运动员的动作物理分析(花滑选手的转速变化)(1)

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溜冰运动员的动作物理分析(花滑选手的转速变化)(2)

一名花样滑冰选手在冰面上翩翩起舞,

其中一个动作是直立旋转,

只见她伸开双臂,

以单脚点地飞速旋转,

随着双臂逐渐收回,她转得越来越快,

当双臂伸开时,旋转速度又开始下降了。

溜冰运动员的动作物理分析(花滑选手的转速变化)(3)

为什么双臂伸缩会影响花滑选手的转速呢?一些科普材料把其中原因归为“转动惯量”,那么,到底是不是转动惯量造成的转速变化呢?小编接下来就把这件事掰开揉碎说一下。

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先来说说转动惯量是咋回事

大家可能都知道,惯性是有质量物体的固有属性,它影响到物体是否容易“动起来”或“停下来”。质量越大的物体,要动起来或停下来就越困难。

那么转动惯量呢,它影响一个物体是否容易“转起来”或“停止转动”,和物体的质量分布有关,对于两个总质量相同的物体,质量分布越靠外,转动惯量越大,转起来或停下来就越难,反过来,质量分布越靠里,转动惯量越小,转起来或停下来越容易。

中国科技馆里有一件关于转动惯量的展品,它上面有两个一模一样的滑道,还有若干带配重的滚轮,拿两个形状、配重数量都一样但是配重分布不同的滚轮放在滑道顶端,同时放下,让它们俩沿滑道滚动,会发现配重靠里的滚轮比靠外的滚轮滚得更快。

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展品“转动惯量”

乍一看,这不就跟花滑选手的例子一样吗?手臂伸开,一部分质量靠外了,转得就慢;手臂缩起来,这部分质量靠里了,转得就快。

且慢,如果这样理解,就误解了转动惯量的效果。请注意,它不是影响物体转得快不快,而是影响物体是否容易“转起来”或“停下来”。换句话说,它影响的不是速度,而是加速度。

其实,这件展品和花滑选手有一个很大区别,展品中的滚轮是在重力作用下沿滑道加速滚动的,而花滑选手是没有借助外力,凭空加速和减速的,所以二者截然不同。

影响花滑选手转速的真正原因是什么呢?

答案其实是“角动量守恒”!

可能有的读者会说,你别逗了,我知道中国科技馆有关于角动量守恒的展品,人坐在椅子上,转动一个横放的大陀螺,然后把陀螺立起来,人就会跟椅子一起,往陀螺转动相反的方向转过去。这跟花滑选手快慢变化有啥关系啊?

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展品“角动量守恒——陀螺转椅”

这属于只知其一,不知其二。角动量是一个重要的物理量,它是矢量,也就是说,它既有大小也有方向,上面提到的那件展品,展示的是角动量的方向守恒,没提大小的事。而花滑选手旋转的例子,要用角动量大小方面的守恒来解释。

我们说花滑选手的转速快慢,说的是她一定时间内转了多少圈,换句话说,是“角速度”。根据角动量计算公式,一个物体的角动量不变时,它的角速度和半径的平方是成反比的。选手的手臂伸开,半径大了,角速度就要下降。反过来,手臂缩回去,半径变小,角速度就跟着上升了。

感兴趣的读者,可以请朋友帮忙做这样一个实验:坐在一个可以灵活转动的椅子上,手持两个哑铃,请朋友帮忙把椅子转起来,看是不是握着哑铃伸开胳膊时转得慢,收起胳膊时转得快。不过实验时一定要注意安全啊。

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中国科学技术馆展览教育中心 李博供稿

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