书城科普读物探索未知丛书-物理城堡一
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第8章 冰上芭蕾舞演员为什么转得那么快

当你看到优秀的冰上运动员在表演高速旋转的芭蕾舞动作的时候,一定会问:她们怎么滑得那么轻,转得那么快呢?冰上芭蕾难道是因为冰面光滑吗?玻璃表面比冰还要光滑,为什么冰刀在玻璃上就不能那样滑行呢?有位科学家曾经做过一次这样的试验:一个体重50公斤重的人穿上冰鞋在冰面上滑动,开始时需要有15公斤的力量才能滑动起来。但是滑行起来以后,冰面对冰刀的阻力就越来越小,所需要的力量也越来越少了,从15公斤一直可以减少到25公斤、15公斤……于是人不必费多大力气就可以在冰上迅速地滑行了。冰面对冰刀的阻力为什么会变小呢?经过研究,原来是这么一回事:冰面,用肉眼看来似乎很光滑。如果放在显微镜下去看,就会发现它也是凸凹不平的。因此,冰刀在冰上滑行的时刻,必然产生摩擦。由于这摩擦而产生了热量。虽然热量是很微弱的,但是也使得刀刃所接触的冰的表面融化,而形成了一层极薄的水膜。由于这层水膜的作用,就减少了冰刀和冰面间的摩擦力,因此冰刀就能够轻快地滑进了。在玻璃的表面上就不会产生这种现象,因为玻璃的熔点比冰高几百倍,微量的热不能使玻璃熔化,自然冰刀也就不会在玻璃上那样轻快地滑行了。冰上芭蕾舞演员不但滑得快,旋转得也快。

让我们看看运动员的表演动作吧:开始时,运动员张开两臂像银燕似的在冰上滑行,并由平滑变为转动,这时的转动速度是比较慢的。接着,她收拢两臂,紧紧地贴在胸前,同时伸直身子,并拢双足,于是他就迅速旋转起来。最后,运动员又重新张开双臂,转动速度也就随着慢下来。这是什么道理呢?原来,这个冰上芭蕾动作的全过程遵循着这样一条自然规律:在一个封闭系统中,给予这个系统的动量矩守恒不变。动量矩的大小与物体的质量、角速度和离转轴距离的平方有关。如果在质量不变的情况下,缩短转动半径,那么根据动量矩守恒原理,角速度就会增大,转速就会加快。在不考虑其他因素影响的条件下,我们可近似地把运动员的动作看作是一个封闭系统,他的质量当然也是不变的。而当他收拢双臂时,就等于缩短了这个系统的转动半径。根据上述原理,角速度就必然增大,于是他就实现了优美动人的高速旋转动作。