户外的物理知识（一）斜面物体受力分析

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侧峰

    突然想介绍一点儿普通物理的知识，在户外加以运用，能够修正一些错误观念，提高安全性与应对能力。
    相应的，化学、生物学知识也很有用，不过非本人专业，只知皮毛，希望精通的朋友来普及。     本文中犯了一些科学性错误，惭愧，承蒙mrz等朋友指出，感谢！特修改后重新发布，同时就一些模糊问题补充分析。
    正文中蓝色字部分为修改处，欢迎朋友们继续挑毛病。
    （一）斜面物体受力分析
    通过对物体所受各种力的分析，能判定或预测物体的运动状态，能解释导致物体运动状态的原因。
    以斜面上的物体为例，如下图：
                          
       物体所受重力可以按照平行四边形法则分解为垂直于斜面的及平行于斜面的两个分力，可以形象的称之为“踩踏力”和“下滑力”。人站在斜面上，之所以有下滑的趋势，严格来说是下滑力的作用，而非全部重力的作用。而踩踏力导致斜面受到压力，因为其方向和踩踏力一样，都是垂直于斜面的，通常称之为“正压力”。静止情况下，正压力大小取决于并等于踩踏力的大小。
        正压力是决定摩擦力大小的两个要素之一。正压力越大，摩擦力越大。在重力不变的情况下，斜面越陡，物体对斜面的正压力越小。因此，越陡的斜壁上，人越难以站住，陡到一定程度，就滑下去了。

    摩擦力=正压力×摩擦系数（以符号 μ 表示）

       这里可以得出一个有意思的结论：重力的两个分力，一个导致人下滑，一个则间接的阻止人下滑。
       在户外，有一个经常遇见的情形：通过倾斜的光滑石壁。无论是上爬、下降还是横切，都要解决“如何阻止滑坠”的问题。而下滑力只跟斜面坡度有关，那么问题的关键就是摩擦力的大小了，也就是如何增加正压力和μ的大小。
       μ 和什么因素有关呢，主要和接触面的特性质有关（如材料等）。一般来说，登山鞋的鞋底摩擦系数较大，要大于鞋帮、大于服装面料，也大于人体皮肤。人体各部位的 μ 也不同，手掌、脚底大于肘部、背部、臀部、还有面部。（这也是为什么鞋底比较滑时，会选择光脚攀爬。）

       这里有一个重要的问题，就是μ不仅和材料有关，还和接触面轮廓（以及由此导致的形变）有关（如上图）。这点和中学物理课中的理想模型是不一样。鞋底有纹路就不用说了，看起来“光滑”的石壁，其实也不是理想平面，而是有着大小不等的凹凸、起伏。当鞋底踩在石壁上时，鞋底橡胶粒因挤压变形，并和岩壁表面的凹凸各种契合，从而提供了额外的“抓地力”，也就是改变了μ。同时，接触面积的大小也有影响，因为接触面越大，参与形变的鞋底胶粒越多，“额外抓地力”越多，也就表现为μ越大。同理，鞋底的纹路轮廓，将决定受挤压时，形变的程度和方向，从而影响μ的大小。
       推论1：斜壁行走，应尽量全脚掌触地，这时的摩擦力最大；即使做不到，也要让前脚掌全部接触岩壁。
   推论2：人静止立在斜壁上时，正压力和下滑力大小只和坡度有关，和人体姿态无关。因此，因为害怕而不敢站直身体，甚至身体向斜壁歪斜，都毫无必要，并不会减少下滑的可能。
   推论3：身体向前弯斜，以手（或膝部）去支扶石壁，将导致一部分正压力作用在手接触的石壁，而鞋底的正压力减少，由于手和裤子的μ小于鞋底，结果总摩擦力减小，本来能呆住的，因为手扶反而滑下去了。
       推论4：人体与斜壁夹角越大，μ越大，反之越小。在利用绳索岩壁下降时，应尽可能将腿部与斜壁垂直，全脚掌蹬在石壁上。
   
    概括成一句话：“站直喽，别趴下！”
    同样的，登山杖头的摩擦系数 μ 比鞋底如何呢？一般来说是不如的，尤其是橡胶头脱落的情况下。横切斜壁时以杖杵地协助平衡须谨防脚底打滑。
   

   （二）斜壁“跑酷”——利用速度与惯性

    牛顿第二定律：
    物体所受外力（F）=物体质量（M）×加速度（a）

    据此，人体做加速、减速、制动等变速动作时，会受到短时（有时是瞬间）的额外作用力。在斜壁上运动时，这部分外力来源于石壁的反作用力（数值等于正压力），及增加的摩擦力。也就是说，当你由静立转为行走的瞬间，正压力增大了，摩擦力也增大了，这也就是为什么站不住的斜壁，却可以快走或者小跑通过。人跳到斜壁上制动的过程，也是一样。“跑酷”这项运动，利用的就是这个原理。
    结合上述两个公式，可以推论：人在下斜壁时，采取蹲姿，屁股坐在脚后跟上，一颠一颠地往下蹦着蹭，是最安全的，比屁股坐在斜壁上往下出溜，更容易控制速度。
    此外，冰雪、湿滑地面行进，注意用全脚掌着地，尽可能匀速平移，也是同样道理。
    还有，沙土和冰雪表面，滑动时摩擦力小于静止时的最大摩擦力。原因是一旦接触面开始滑动，沙土、冰雪颗粒的滚动，会形成类似固体润滑剂的效果，降低接触面的 μ 值。此时，要选择合理的行进速度，变向和变速动作亦要恰当，否则会导致摩擦力突然减小，造成足底打滑。
    一个经验丰富的人，走在复杂地形上，其脚部的落地形态、行进速度都会根据感觉即时调整，我们会形容他“脚下有根”。
    所以，各种复杂地形的行进，需要学习原理，并反复实地练习。

户外的物理（二）蒸气压
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芥末蘸酱

cloudedleopard

eijuil 发表于 2013-1-5 22:53
回2点个人感受：
1. 坡路结冰，原来总将脚横过来，以为防滑，结果几次差点摔倒，后来发现，直着走就不滑了 ...

路滑一定要快速通过，越想制动越停不下来

娜娜娜娜娜

物理学得不好

1272267958

学习了

1272267958

红闻琴声 发表于 2013-1-6 06:29
感觉下山的正确姿势不好把握呀！

应斜下