Saturday, May 10, 2014

滑板滑雪物理學 (續) The Physics Of Snowboarding (cont.)


延續前兩篇的說明...


http://www.real-world-physics-problems.com/physics-of-snowboarding.html

空中特技


滑雪者可以在空中表演的一些特技、旋轉、翻滾等,基本上是藉由角動量的守衡來達成的。當滑雪者離開地面後,總角動量就不能再改變了。因此在離開地面前,需要給自己一個初始的旋轉,然後藉由身體姿勢的改變,來達成這些驚人的動作,並保持總角動量守衡。

對這些空中特技來說,滑雪板背後的物理跟滑長板是非常類似的。(所以雪季過後,就要靠長板來止癢了!)

照片顯示滑雪者前轉180度

下一節將介紹半管中如何加速。

在半管中加速

下面照片顯示滑雪者脫離半管進入空中。

滑雪者可以在半管中加速,維持雙腳固定在雪板上,這是如何達成的呢?這個現象背後的基本物理,是可以由轉動慣量與角動量來理解的。

為了增加速度,滑雪者在直線段蹲低,當進入半管的曲面時,站起身來並舉起雙手,讓自己可以在離開半管時有更高的速度。

以下說明滑雪板物理在半管的機制:
schematic of snowboarder on half pipe

這裡

  • w_i 是初始滑雪者身體的角速度,於位置 (1)
  • w_f 是最終角速度,於位置 (2) 也就是脫離半管的位置
  • V_i 是初始質心 G 速度,於位置 (1)
  • V_f 是最終質心 G 速度,於位置 (2)
  • r_i 是初始迴轉半圓圓心 O 與質心 G 的距離,於位置 (1)
  • r_f 是最終迴轉半圓與質心 G 的距離,於位置 (2)
  • g 是重力加速度
  • N 是地面施與雪板的作用力
  • F 是地面施與雪板的摩擦力

這裡假設半管是理想的半圓,圓心在 O,並且簡化成二維空間分析。在總角動量守衡下,我們來看轉動慣量與角動量的方程式:

I_oi w_i + Sum Int{t_i, t_f} M_o dt = I_of w_f

I_oi 是初始轉動慣量(滑雪者加雪板),於位置 (1)

I_of 是最終的轉動慣量,於位置 (2)

Sum M_o 是對於 O 這點的動量的總和,動量由開始時間於位置 (1) 積分到最終的時間於位置 (2)。

這裡我們假設以剛體處理,即使滑雪者的轉動慣量在這兩點之間有改變。就結論而言,我們只需要知道起始點與終點身體的轉動慣量大小。

由於地面對於滑雪者的作用力 N 通過 O 點,所以不會造成角動量的變化。摩擦力 F 夠小,在這裡可以忽略不記。所以剩下來的,就只有重力 g 對於滑雪者與 O 點的貢獻。(這裡同時考慮滑雪者與雪板)

我們可以將 w_f 獨立出來:

w_f = (I_oi w_i + Sum Int{t_i, t_f} M_o dt) / I_of


I_oi = I_Gi + m r_i^2
I_of = I_Gf + m r_f^2

這裡,對於位置 (1) 和 (2) 的轉動慣量為:

I_Gi 是初始轉動慣量在 G 上於位置 (1),向垂直頁面往外的方向。

I_Gf 是最終轉動慣量在 G 上於位置 (2),向垂直頁面往外的方向。

m 是滑雪者的質量

在以上的方程式中,我們減少 I_of,而角速度 w_f 可以比原先(不改變 I_of)增加的更多。實務上,我們可以藉由減少質量中心 G 到 O 點的距離來達成。換句話說,減少 r_f 可以增加 w_f。要注意一點,實際上 I_Gf 跟 Sum M_o 也會改變,但主要的貢獻在於 r_f。

在位置 (1) 和 (2),質心 G 的速度可以表示為:

V_i = w_i * r_i
V_f = w_f * r_f

滑雪者的質心速度在位置 (1) 和 (2)

這兩個速度在位置 (1) 和 (2) 都與半管的曲面平行,這裡我們假設剛體運動。

以上關於速度的方程式,假使滑雪者能將 r_f 減到夠小(藉由起身並舉起雙臂),將可以有效地增加角速度 w_f。這將可以讓脫離半管時的速度 V_f 達到更高。

藉由連續地在曲面上的往復運動(在半管最低點蹲低然後起身並舉其雙臂),滑雪者可以持續地增加速度,最後可以達到足夠的高度來從事不同的空中特技。

用一個更直覺(不用數學)的說法來解釋,藉由往復運動(pumping)來對系統所做的功,可以轉變成離開半管時更快的速度。我們可以將此類比於小朋友盪鞦韆時,以蹲起的動作,來增加擺盪加速而盪得更高的方式一樣。當然這背後的物理也是類似的。

在滑雪者起身並舉起雙臂的過程中,他將會感受到由於旋轉造成的向心力,將他由 O 點往外的方向推開。這阻力證明了滑雪者所做的功,會轉成能量加到系統當中,最後形成更高的動能(速度)與位能(高度)。

最後一小節,我們來看關於滑雪板的保養,來維持最佳表現。

滑雪板保養

滑雪板的保養,基於滑雪板的物理,在於最佳化雪板在雪面上的表現,可以歸納為以下幾點:
  • 將雪板與雪面接觸的表面上蠟,可以防止水侵入造成雪板的損壞。蠟也可以避免雪板底部有過多的水蓄積,來減少潮溼表面的阻力(吸附力)。
  • 將雪板的板邊用磨石磨利,將有助於轉彎與板邊的控制。

以上總結關於滑雪板物理的討論。