冰雪科学课力与能的转化

　　为什么高山滑雪运动员会有这么快的速度呢？
　　答：高山滑雪比赛的基本规则是从高山滑下，经过数十个旗门，到达终点。如果经过旗门失误，就会判断为失格而罚时，最终以到达终点的时间最短为胜利。北京冬奥会的高山滑雪项目分为回转、大回转、超级大回转和滑降四大项。它们的区别在于落差和距离的不同。回转赛的落差大约一两百米，大回转的落差三四百米，超级大回转落差五六百米，最高的男子滑降赛落差有8001000米，最高时速超过每小时140公里。要知道全国大部分的高速公路限速都是每小时120公里，这些运动员要是在高速公路上都会被罚超速！
　　在高山上，运动员具有很大的重力势能。下滑时，运动员的重力把他向下拽，重力势能转化为动能。落差越大，重力做的功越多，转化的能量也越多，运动员的速度也就越快。根据物理学公式：重力势能等于重力和高度的乘积，动能等于质量和速度平方乘积的一半。理论上讲，1000米的滑降赛运动员到终点的速度会达到每小时500公里。
　　高山滑雪中运动员为什么会把自己蜷缩成一个球？
　　答：高山滑雪运动员实际上的速度并没有理论上这么快，这是因为他还受到雪面阻力和空气阻力的影响，其中空气阻力比重更大。根据流体力学公式：空气阻力与物体的迎风面积和速度平方的乘积成正比。为了减小空气阻力，运动员会尽量把自己蜷缩成一个球，减小迎风面积。
　　如果把运动员看作一个球体，他的质量与半径的三次方成正比，而迎风面积与半径的二次方成正比。也就是说：体格越大的运动员，由于他具有的重力势能会三次方增大，可是空气阻力只会二次方增大，对于提高速度反而是有利的。所以高山滑雪运动员大多数体格健硕，比如平昌冬奥会男子速降冠军，挪威的斯文达尔，身高189厘米，体重有97公斤。
　　高山滑雪并非直线下滑，而是需要左右摇摆过几十个旗门。在转弯的时候，运动员身体倾斜，用滑雪板的板刃接触雪面，目的是为了获得倾斜的支持力，支持力和重力合起来，就能给运动员提供转弯所需要的向心力了。
　　根据物理学公式，向心力与速度的平方成正比，与转弯半径成反比。高山滑雪运动员速度非常快，而转弯半径很小，这就造成他需要的向心力很大，于是也需要很大的支持力。据统计，运动员转弯时膝盖需要承受3倍以上的压力，一个80公斤的运动员，转弯时会感觉自己的体重变成了270公斤！
　　运动员在承受巨大压力的同时，还要寻找最合适的路径，观察雪面的平整度，稍有不慎就会摔倒。在高山滑雪运动中，即使是专业运动员，发生失误也是经常有的。高山滑雪运动员用他们强大的勇气、强壮的体魄、超人的平衡能力和身体机能，在雪道上不断创造速度奇迹。（李永乐讲解慕振东整理）