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冰壺運(yùn)動(dòng)是以隊(duì)為單位在冰上進(jìn)行的一種投擲性競(jìng)賽項(xiàng)目。投擲的冰壺為圓壺狀,周長約為91.44厘米,高(壺的底部與頂部)11.43厘米,重量(包括壺柄和壺栓)最大為19.96公斤,冰壺底部和冰面相接觸的部分是一個(gè)半徑約為12.8至13.1厘米的圓環(huán)。冰壺所用場(chǎng)地是一個(gè)長44.5米、寬4.32米的冰道。場(chǎng)地冰面澆過平整的冰面后,還需要用噴頭像冰面噴灑熱水滴,保證冰面出現(xiàn)表面圓滑的凸起的小冰點(diǎn),使冰壺的底面不能完全接觸到冰面,并且冰面更粗糙,對(duì)冰壺的阻力更大。冰道的一端畫有一個(gè)直徑為1.83米的圓圈作為球員的發(fā)球區(qū),被稱作本壘。冰道的另一端也畫有一圓圈,被稱為營壘。在場(chǎng)地兩端各裝有一個(gè)斜面橡膠起蹬器。在冰壺場(chǎng)地前后兩端各有一條藍(lán)色的實(shí)線稱為“前衛(wèi)線”和“后衛(wèi)線”。球員擲壺時(shí),身體下蹲,蹬冰腳踏在起蹬器上用力前蹬,使身體跪式向前滑行,同時(shí)手持冰壺從本壘圓心推球向前,至前衛(wèi)線時(shí),放開冰壺使其自行以直線或弧線軌道滑向營壘中心。在一名隊(duì)員擲球時(shí),由兩名本方隊(duì)員手持毛刷在冰壺滑行的前方快速左右擦刷冰面使冰壺能準(zhǔn)確到達(dá)營壘的中心或者將對(duì)方冰壺?fù)舸虺龅梅謪^(qū)域。最后當(dāng)雙方隊(duì)員擲完所有冰壺后,以場(chǎng)地上冰壺距離營壘圓心的遠(yuǎn)近決定勝負(fù)。
2運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立
冰壺在冰面上滑行可以視為剛體的平面運(yùn)動(dòng),可以將其分解為質(zhì)心的平動(dòng)和繞過質(zhì)心軸的定軸旋轉(zhuǎn)。以前衛(wèi)線的中心為O,前衛(wèi)線中線為x軸,垂直于x軸的是y軸,垂直與冰面的為z軸建立坐標(biāo)系。
2.1旋轉(zhuǎn)
冰壺的質(zhì)量為m,開始時(shí)的角速度為,冰壺與冰面間的摩擦系數(shù)為μ,μ的大小與溫度T有關(guān),可表示成假設(shè)摩擦力是均勻分在整個(gè)低面圓盤上,故計(jì)算摩擦力矩時(shí),應(yīng)將圓盤分解為許多的以轉(zhuǎn)軸為圓心的同心環(huán)來考慮。
3仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為了實(shí)現(xiàn)冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真,根據(jù)前面所述的運(yùn)動(dòng)方程模型,需要先確定冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡的一些參數(shù)。為此將冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡仿真系統(tǒng)分成兩部分,即基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置和動(dòng)態(tài)模擬。基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置中分別輸入初速度、初始角速度和溫度。冰壺場(chǎng)地兩營壘之間的距離近30米,所以在沒有任何干擾的情況下,冰壺應(yīng)可以自由滑行20米才是有可能到達(dá)營壘。
4結(jié)論
根據(jù)機(jī)械能量守恒理論建立的冰壺運(yùn)動(dòng)方程,從主觀上驗(yàn)證了它的正確性,可以幫助運(yùn)動(dòng)員分析投擲冰壺時(shí)應(yīng)以怎樣的初速度和角速度投壺,才能有效的進(jìn)入營壘。
作者:田雨 單位:沈陽體育學(xué)院
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