f/安全回家 2013-01-06 02:30

户外的物理(一)(二)

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、地质学等基础知识也很有用,不过非本人专业,只知皮毛,希望精通的朋友来普及。

(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正压力及平行于斜面的下滑力。人站在斜面上,之所以有下滑的趋势,就是下滑力的作用。那么,正压力的作用是什么呢?它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)

μ 和什么因素有关呢,主要和接触面的材料性质有关。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。)

当人静立在斜壁上时,一般来说,正压力和摩擦系数 μ 就确定不变了,此时,最大静摩擦力如果大于等于下滑力,就能呆得稳稳的,横切行走也毫无问题。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,并不会增加安全性。

反而,身体向斜壁歪斜,倒有可能导致本来能定住的身体下滑。为什么呢?这是因为鞋底的橡胶是有弹性、有纹路的,在压力作用下,鞋底会发生形变,而这种形变会影响 μ 的数值。一般来说,人的身体在垂直于接触面时,鞋底的 μ 最大,而身体与斜壁的夹角越小,μ 越小,由此产生的摩擦力也越小。同理,鞋底全面正接触石壁,μ 的数值也最大。

更错误的做法是由于害怕而弯腰用手去扶石壁,甚至屈腿以膝盖贴住斜壁。这时候,本来全部作用于μ 值最大的鞋底的正压力被分散到了μ 值较小的手掌和膝盖(裤子),这导致鞋底产生的摩擦力减少,而手掌与膝盖的摩擦力的大小又不足以弥补这部分差异,人体的总摩擦力自然就减小了。于是,我们发现本来能静立在斜壁上的人,弯腰手扶屈膝之后,反倒滑下去了。

所以,斜壁行走的正确姿势就是:身体尽量站直,不要手扶斜壁,更不可跪下、趴下。

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。

那么,有绳子,或者树枝草茎,可不可以拉呢,当然可以,因为这样的拉力可以直接抵消部分下滑力,并且其分力增大了正压力,也就间接增大了摩擦力。

跟斜壁运动相关的另一个物理定律是“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(脚型)、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。

(二)蒸气压与防水透气

粗略的说,蒸气压可以理解为气态水分子对水面的压强。液态水中的分子有逃逸的倾向,气态水分子也有回到液态水中的倾向。一般来说,这两个过程是同时发生的。当气化速度大于液化速度,宏观上表现为水在不断蒸发;反之,则表现为水汽的凝结;二者平衡时,看起来水不再蒸发、也不在凝结,此时水气对水面的压力称为饱和蒸汽压。不平衡时称之为不饱和蒸气压。

如图:

打个比方,家里的孩子总有离家出走的愿望,已经出走的孩子却想回家。每时每刻,既有出走的,也有回家的。二者速度相等时,宏观数字统计上似乎既没有孩子出走,也没有孩子回家,其实只是出走的和回家的孩子数量达到平衡而已。

当出走的孩子越多,流浪儿密度越高,则想回家的压力越大(外面不好混了)。当流浪儿数量达到城市能容纳的最大值(饱和),每出走一个孩子,就会迫使一个孩子回家,总数量达到动态平衡。

而上面的数值,与城里的成年人和其他小动物数量有一定关系,但是影响不大,一般可以忽略。我们可以认为只受孩子本身数量的影响。

(孩子妈们别喷我,这只是为了形象化理解而打的比方,可不代表我冷血啊。)

上述意思用物理概念表述,那就是,蒸汽有压力,蒸气压会促使气态水分子回归。我们把平衡时的状态称之为饱和,亦即此时空气中能容纳的气态水分子数量到顶了,不能再接受了,那么每接受一个水分子气化,就得逼迫一个水分子液化。不饱和时的蒸气压小于饱和时的蒸气压(相同温度)。可以看出,水在饱和时的蒸气压,实际上反映了水的蒸发倾向的强度,因此,饱和蒸气压可以表示液体的蒸发性强弱。

另外,蒸气压随温度升高而升高,变化明显。

继续打比方,如果有两个相邻的城市,一个流浪儿密度高(蒸气压大),一个低,会发生什么呢?显然,密度高(蒸气压大)的地方的孩子会向密度低(蒸汽压低)的地方流动扩散。

应用这些原理,就可以知道冲锋衣的透气性能如何变化。之所以衣内水分子总体上是往外跑的,就是因为衣内温度一般高于外界,湿度也高于外界显然,导致衣服内的蒸气压高于外界,水分子的总体倾向是向外界移动,这就是透气性的原理。外界空气湿度越大,温度越高,则外界蒸气压越高,水分子由衣内向衣外移动的倾向越低,表现为透气性下降。这里要说明的是,户外服装的透气性,不是指的透过空气,而是特指透过水分子的特性,因为其目的是保持体表和近身衣物的干燥。

从以上分析可知,影响水分子透气性的因素(面料不变),主要是内外温度差和湿度差。那种给面料一侧空气加压,使之透过面料以证明透气性良好的的演示实验,实际上是一种误导。先不说人体能不能给冲锋衣内提供这么大的气压,就算能,影响的也是其他气体,而不是水气分子。这也是为什么南方暖湿环境下,会发现冲锋衣透气性很不好的原因。实际上,冲锋衣最适合的使用条件是寒冷环境,内外温差大、冷空气比较干燥,此时透气性较好。当然,温度过低,会导致冲锋衣内面结霜,这一点对透气性的也有影响,不过这是另一个问题了,另行详议,不过可以这样简单来看:汗蒸气结冰在冲锋衣内侧,实际上也起到了对内层衣物及体表的干燥作用,将湿气对内层衣物(保暖层)的影响降到了最低,类似低温干燥的原理。

再有一个误区,就是所谓的“防水透气”。其实防水性能是有的,透气性能也是有的,但是能不能在防水的同一时刻透气呢?这就值得分析了。下雨时,冲锋衣外界的湿度是相当大的,从蒸汽压的分析可知,这时候基本上透气性就可以忽略了。雨中,冲锋衣的作用就是一件雨衣,而其持续防水能力肯定是不如一件塑料雨披的。因此,我的个人观点:冲锋衣重要的是防风透气性,主要用于寒冷冰雪环境。防水什么的,防个短时中、小雨就行了,别指望太高。

登山鞋的防水透气原理,类似。

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Sniper:) 2013-01-06 03:53

看完后半段文章,觉得冲锋衣都是多余的,用皮肤风衣更实在,起码更轻...

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侧峰 OP Sniper:) 2013-01-06 04:20

没有多余的装备,只有不当使用的装备。

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Sniper:) 侧峰 2013-01-07 04:19

可以这样理解么:也就是在出汗的时候透气指数越高的冲锋衣越不保暖,要尽量降低节奏,减少出汗能降低热量流失.

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侧峰 OP Sniper:) 2013-01-12 10:43

透气指数越高的冲锋衣,防水性能越差。防风性能没认真比较过,不好说。但是这个矛盾会随着材料学的进展而很大程度化解。目前来看,好像还没有哪一种冲锋衣能做到持续长时间防雨的(4小时以上),也许是我孤陋寡闻,最新产品不了解。
我本人的经验,亚热带丛林雨季,雨披必备,冲锋衣也必备。长时间中到大雨情况下,雨披比冲锋衣舒适的多,也暖和得多。短时降雨和小雨时,冲锋衣比雨披好,除了透气外,关键是行动方便。崎岖的地形,穿个雨披实在是不靠谱,甚至很危险。总之,雨季丛林穿越,不要认为有了雨披或者冲锋衣裤,就可以保持身上的干燥,事实上内外湿透才是更常见的情况,一定要做好针对性的准备,比如带足替换的干衣服。

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herbchan 2013-01-06 08:34

物理上没有“下滑力”,只有斜面“重力分力”,与“摩擦力”相反。

当然,说“下滑力”通俗易懂些。建议备注,以免误导人-------如:姑且叫它“下滑力”(斜面重力的分力)

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天刃 2013-01-06 14:43

液态水和气态水,都是H2O分子。但液态水分子常以分子团的形式存在,而气态水就不这么样。水分子团比单个的水分子大得多。狗踢死就是一层网,网孔比水分子大,被水分子团小。所以就防水透(水蒸)气了。

至于何为水分子团,我也是听说,具体得查资料。但中学物理、中学化学那种简化、模型化、理想化的知识是不够用。

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phyver 天刃 2013-01-08 15:41

高中不是学过氢键嘛,够用!

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黑羽堂 2013-01-08 01:25

写得很好,给5分

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phyver 2013-01-08 15:40

横切行走也毫无问题。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,并不会增加安全性。

如果是静止站在斜面上,向斜壁倾斜是有害无益的。但在快速横切行走时,保持重心平稳更重要。没有外力作用下,物体保持匀速直线运动。斜面有时候是有弯角的,如果保持站直行走,重心也要跟着产生转动,就需要额外增加一个作用于重心的水平方向作用力,在斜面上,这意味着危险。一般平衡能力强的人,都是上身径直朝前,下身扭腰摆胯,就过去了。在扭动通过的瞬间,其实他的整个身体是倾斜的。如果斜壁一路有弯角,在整个横切过程中,就见这个人左扭右扭(扭的是下半身),潇洒快步前行。如果强迫自己保持直立,在弯角处必然要减速甚至停留,不但会导致队伍“塞车”,而且自己也不安全。实践中适用静力分析的机会比较少。

因为鞋底的橡胶是有弹性、有纹路的,在压力作用下,鞋底会发生形变,而这种形变会影响 μ 的数值。一般来说,人的身体在垂直于接触面时,鞋底的 μ 最大,而身体与斜壁的夹角越小,μ 越小,由此产生的摩擦力也越小。同理,鞋底全面正接触石壁,μ 的数值也最大。

身体与斜壁有夹角不等于鞋底与斜壁也产生夹角,踝关节是灵活的,一样可以让鞋底正接触石壁。所以即使μ与夹角有关,也应该分析鞋底与斜面的夹角。另外,根据定义,μ是个只与接触面材质有关的常数,与面积无关,更与接触面以外的其他部分形状和材质无关。如果考虑橡胶变形的话,一般而言,橡胶等弹性体,正面接触的前提下,形变有利于附着。因为:形变相当于改变了材质表面的部分性质,但这种形变在正面接触的前提下,都是增加两界面的贴合度的,增加实际有效接触,意味着界面之间机械作用力和分子间作用力都会增加。这是为何车胎气太足反而容易打滑;以及在同类橡胶前提下,硬底鞋不如软底鞋防滑的原因。只不过,这种形变的决定因素是橡胶本身的弹性和压强,与穿着者身体的姿势无关。

所以,斜壁行走的正确姿势就是:身体尽量站直,不要手扶斜壁,更不可跪下、趴下。

这句话在静止状态下是正确的,但关键在于重心漂移的问题。和我在第一段提到的扭下半身相反的是,扭上半身确实意味着危险。只要身体动作导致重心投影不再落在鞋底,那么为维持静止状态,必须由鞋底提供一个水平分量的作用力,一旦这个力超出了鞋底静摩擦力的最大值,鞋底就会开始滑动。当然,如我第一段提到的跑动中,就不需要这种维持,摆胯导致重心投影偏离鞋底,但重心却仍保持匀速直线运动的情况,反而不危险。
问题的关键不是扭动带来μ的变化,μ哪里这么容易变啊。假定这个人是机器人,根据电脑精确控制身体变形,它可以保证在下蹲过程中重心投影一直落在鞋底中,那么它的任何动作并不会带来额外危险。

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。

作用力等于反作用力是牛顿第三定律
这段没说到关键点上。行走过程中,脚踏地面,地面对脚制动,增加了垂直斜面的压力,但也增加了下滑方向的分量,这是必然的。如果不增加下滑方向的分量,就会额外多一个水平方向的力,把人从崖壁上弹开去。既然两个方向的分量都增加,所以摩擦力的增加并非我们可以快走通过的关键。
若我们是水平方向走斜壁,即横切,那么快走或小跑比慢走安全的原因是滑动需要时间,我们不过是赶在滑动明显之前把脚立即挪开了。假定如楼主所说,正压力增加是问题的关键,那么就会得到一个 人背大包比不背包通过斜面更安全 的结论(他的鞋底增加了背包的重量),显然这个结论是不成立的。另外,在现实中,我看到的平衡能力强的人,都是用前脚掌快速跑过,也说明了摩擦力和面积无关,如果用全脚掌,反而会导致在斜面上更长的停留时间而导致危险。停留时间才是关键
若我们是垂直方向走斜壁,即冲上斜壁。问题的关键在于我们需要有足够的初速度,动能转化成势能实现身体的抬升。假如楼主所说,跑动时踏地增加了正压力是问题的关键,初速度不是问题的关键,那么就会得到一个 没有初速度的人,在很陡的斜面上(例如墙面)上反复踏地,他就能实现身体的抬升(走上墙) 的推论,显然,他无论以哪种角度踏墙,只要他没有初速度,他都不可能走上墙。跑酷者上墙无一例外不先助跑的,而且他只能在墙上走一两步,因为墙的反作用力会把他弹开去,消耗他的动量,当他前进的动量耗尽的时候,他就不可能再继续往墙的更高处了。把模型简化:根据正压力无关的推论,我们假定人是球形,那么静止还是滚动,对地面的压力都不变,摩擦力不变。显然,球能否冲上斜坡的关键就是球的初速度是否足够大。

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。

这个误人子弟了。如果斜面不陡(小于30°)也不滑,怎么来都容易控制速度。但是如果斜面很陡,我们最值得考虑的安全问题是防止人的上半身向前翻出去,导致头部着地。这就涉及到刚体的旋转问题,根本不是前面把物体抽象成一个质点的分析所能涵盖的。
旋转涉及力矩分析,假定该刚体仅仅受到力矩作用,如果力矩不平衡,刚体会围绕质心发生旋转。力矩=力×力臂。人的质心(即重心)在肚脐附近,如果背包,重心要上移,蹲姿的重心也会上移。但总之,即使是坐在脚跟上,臀部依然比脚掌更接近质心,假定在下滑过程中碰到一个小的凸起,脚掌碰到障碍,人发生旋转,上身就翻出去了;臀部受到障碍,由于臀部离质心近,力臂小,力矩小,这个翻转的冲量就小,显然安全得多。就算发生翻转,我们把腿伸直,就可以用腿的阻挡来阻止转动的进一步进行。
用极限分析的方法也能看出哪种更安全。假定坡度陡到垂直,就是墙面,我们从楼顶顺墙面滑下去,会保持什么姿势?是伸直腿还是把屁股坐到脚后跟上?

那种给面料一侧空气加压,使之透过面料以证明透气性良好的的演示实验,实际上是一种误导。先不说人体能不能给冲锋衣内提供这么大的气压,就算能,影响的也是其他气体,而不是水气分子。这也是为什么南方暖湿环境下,会发现冲锋衣透气性很不好的原因。

这种实验还是有点意义的。其他气体能过,水分子才可能过。如果空气过不了,水分子铁定过不了。GTX面料的透水分子能力,和南北方无关,南方暖湿环境冲锋衣依然比雨衣要舒适。评价南方暖湿环境冲锋衣的价值,其参照物应该是南方暖湿环境下的雨衣。

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侧峰 OP 2013-01-12 10:32

几天没来,刚看到这么多回复,谢谢诸位的意见。
下面仅就部分回复做些说明:
1、斜面行走确实要考虑重心与稳定性的问题,谢谢补充。我贴中只是就简化的情况进行了分析,针对的是新人常犯的错误:不敢直立行走反而导致滑坠,这个认知不改变,挺危险的。
2、μ的问题,也是简化模型,虽然中学物理中μ值只与材料有关,实际运用中却复杂得多,因为接触面不是理想平面,有凹凸,导致鞋底各部分的μ不一样(花纹),并且接触面积也会影响实测的μ值。一般来说,接触面积越大,摩擦力越大。
3、反冲动作中,由于增加的正压力而增加的摩擦力大于增加的下滑力,这是此类动作可以实现的原理。这和运动方向、与斜面夹角有关,实际体验一下就可以得出结论了。
4、“蹲着蹦”的下斜面方式,除了控制速度之外,也同样有利于控制中心防止前倾,实际体验一下就知道了。这里不太涉及旋转力矩的问题,因为人体不是刚体,下蹲的姿势可以保证重心不超过支点竖直线。至于斜面已经陡到了无法控制速度乃至近乎竖直的程度,那就是另一个问题了。那么从严谨的意义来说,确实应该给出一个角度的限制,一般来说,这个角度在45°左右。某些条件下可以达到60°,但这需要实地估测,要靠经验。这一点是我疏漏了。
5、加压透气实验就是误导,原因还是我说的那个:用不同的条件的实验结论交叉证明。这个实验只能证明材料确实是有微孔的,可以透过气体分子,不能证明水下透气性。
6、跑酷的问题,初速度当然是关键,反冲导致的额外摩擦力也是关键,这不冲突。

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phyver 侧峰 2013-01-13 09:41

要是理论指导或实践体验,有一样或缺,都不会写出来,以免误导。

简化模型的意义在于揭示关键因素,过滤次要因素。

既然选择谈技术,就应该以追求科学性为目标,这是我的理解。

摩擦的本质,科学界提出过好几个假说,由于界面相互作用的复杂机制,每种假说都在某些情况下有局限性。但摩擦发生作用都绕不开两大类基本机制,一种是机械应力,一种是界面间的分子间作用力。
摩擦系数的定义就是摩擦力除以正压力,中学物理如此,大学物理也没推翻这个基本定义,没有面积什么事。摩擦力和正压力都是可测量的,足够确定摩擦系数。非要扯上面积,从逻辑上都会得出非常可笑的结论:比如,光底鞋比深齿纹鞋的摩擦面积大,那么齿纹越磨越平,我们的鞋子的摩擦力应该增加才是;比如,登山杖的头,不应该是尖的,而应该是大饼一样的一片才好……
假如说测量鞋底在一块平板玻璃这样接近理想平面的物体上的摩擦力,会发现鞋底的花纹不改变摩擦系数。
摩擦系数与接触面积无关,这是鞋底可以镂空出花纹而不用担心损失面积导致损失摩擦力的根本原因。

实际运用中却复杂得多

到底复杂在哪呢?
摩擦系数由材质表面性质决定,这个材质表面是双方面的,如果现实环境和理想平面差距很大(比如泥地、沙地、砾石滩、岩壁、硬土等),橡胶这样的弹性界面,确实可以通过弹性变形,相当于改变了材质的表面特性,相当于改变了摩擦系数。而花纹的设计,则相当于提前预设了变形,但细微尺度下的变形程度还是由弹性体本身特性决定。在泥地、砾石滩这样的环境下,深齿纹的优势才比较明显。不过我们讨论的岩壁场合,在很多情况下,尤其是流水侵蚀的地质环境下,是接近理想平面(含斜面和垂直面)的。
在非平面表面上运动的弹性体,越容易获得形变,通常摩擦性和附着性越好,形变程度首先是弹性体本身的硬度,其次决定弹性形变的程度的是压强(而不是压力)。

3、

反冲动作中,由于增加的正压力而增加的摩擦力大于增加的下滑力,

[quote]反冲导致的额外摩擦力也是关键[/quote]
这个并不是显而易见的,需要实验证明。

这是此类动作可以实现的原理。

此类动作可以实现的前提条件是足够的初速度。足够的初速度下,只要一点点向上的作用力,就可以实现物体的抬升,在平面地面上急速滚向竖直墙面的乒乓球,都会弹起相当高度。

跑酷的问题,初速度当然是关键,反冲导致的额外摩擦力也是关键,这不冲突

而在人作用于陡斜面的情况下,这点向上的作用力,正常步行产生的摩擦不够吗?如果不够,那么才谈得上这额外增加的正压力,也许也是个必要条件(从逻辑上来说,必要条件不等于关键,但关键一定是必要条件。)。否则,不但这不是个关键,连必要条件都算不上。

4、

、“蹲着蹦”的下斜面方式,除了控制速度之外,也同样有利于控制中心防止前倾

坐着滑或挪,身体可以有一到五个点与岩面接触,这五个点是臀部和两手两脚;蹲着蹦,撑死只有四个点能与岩面接触。
从摩擦系数来说,岩面,尤其是湿岩面,蛋白质基质的皮肤或纤维素基质的棉(包括氨纶或含棉混纺)手套,摩擦系数最大;涤纶属于聚酯纤维,一般冲锋裤面料和速干裤都是涤纶为主,摩擦系数稍次;尼龙基质面料摩擦系数最次。但无论哪种纺织面料,在可比条件下,都要比硬橡胶底(如著名的VIBRAM底)摩擦力大。岩石的基本结构是硅氧键的体形结构,强极性,亲水亲氧。综合性能最好的橡胶是天然橡胶,是聚异戊二烯,非极性分子,不含氧;其他做摩擦弹性界面材料的常见替代性的橡胶有丁苯橡胶、顺丁橡胶等,还有一些特殊用途橡胶如氯丁橡胶、乙丙橡胶等,都是弱极性或非极性分子,且不含氧。穿大V底进浴室的感觉大家应该有数,齿纹在这里根本无关紧要,因为瓷砖接近理想平面,而冰面、岩壁、硬土是户外自然环境下最接近理想平面的情况,穿大V底挑战这样的场合都没什么优势。我们还常见的另外一类鞋底是PVC或EVA或两者的共熔体,这类弹性体硬度小,耐磨性差,通常不会出现在登山鞋大底的材料中,但在浴室中,这类材料是所向披靡的,瓷砖也是硅氧基质,而EVA中含有强极性的碳氧键。其实溯溪的时候,我们完全没必要穿硬胶底的专业登山鞋。但即使我们穿的是摩擦力比较强的溯溪鞋,和裤子这样的织物摩擦系数比起来,也没什么优势。
以上这段是说明,两种下滑姿态控制速度时,制动点显然一个五个一个四个。其实蹲姿下,我觉得手很难使上劲,说四个算是送它两个制动点。而且蹲姿下主要依靠的两个制动点的摩擦系数还不如坐姿下的另外三个制动点(两手和臀)的摩擦系数。

控制中心防止前倾

坐姿下重心本来就是后倾的。

人体不是刚体

假定人在下滑时肌肉紧绷姿势不变,当然可以用刚体力学进行分析。假定人在下滑时姿势变化(通常来不及做复杂的姿势变化),局部仍可以适用刚体力学定理。但关键是,人的姿势变化(比如后仰、蹬腿等),可以变得更加有利于自身安全,尤其是经过学习和训练之后。假如按照人不动分析可行,那会动的人在实际操作时只会更加可行。

下蹲的姿势可以保证重心不超过支点竖直线

可以做到,但不能保证!靠什么保证?——一个小凸起让脚绊到就毁了。
在匀速运动或静止时,重心恰好在支点竖直线上,人才能长时间保持蹲姿,由于此时人的势能比较高,这种姿势是一种亚稳态。重心或支点稍受干扰,就会发生旋转运动。如果重心在支点竖直线之后,人就会顺势坐倒,直到新支点和重心在一条竖直线上。如果重心跑到支点竖直线之前,人就有前倾趋势,至少会一个踉跄,严重的就是一头栽下去。
坐姿下人的势能比蹲姿更低,从能量角度来说更稳定。坐姿下重心更容易保持不超过支点竖直线——一个简单的直腰动作。
真正的现实中,我看到领队对待胆小的驴友站在岩顶战战兢兢时,经常会说“把包卸下来”“坐下来”等,我还真没看到有人说“蹲着!别坐,那样危险!”之类的。我也问了几个在那种场合下经验丰富的驴友,他们还就是宁可坐着挪/滑而不会蹲着蹦。而对于平衡能力好胆子大的驴友,斜面不太长不太高不太陡的时候,他们会选择直接跑下来,也不会蹲。摩擦力不够抵消重力下滑分量,但额外的下滑分量正好提供下滑加速度,若按照非惯性参照系来看,就是没有了下滑分量。只要你加速跑的节奏控制得恰到好处,那种失重不会带来危险,更不会比蹲着蹦危险。

那么从严谨的意义来说,确实应该给出一个角度的限制,一般来说,这个角度在45°左右。某些条件下可以达到60°,但这需要实地估测,要靠经验。

极限分析并非不科学。中学数学中就常用到极限分析来求解或反证。它尤其适合反证法和归谬法。如果一套理论可以解释正常和极限,另一套却无法解释极限,显然后者的完备性不如前者。

5、

加压透气实验就是误导,原因还是我说的那个:用不同的条件的实验结论交叉证明。这个实验只能证明材料确实是有微孔的,可以透过气体分子,不能证明水下透气性。

产生误导的是别有用心的销售人员的嘴和不专业的听众买家的脑。这个实验得到透气的结论。当然不能证明它就是GTX类的防水透气材料;说能证明,就是误导。这个实验成立是防水透气(即你说的水下透气)的必要条件。它的证明本来就是单向的:成立不一定是真货,但不成立,那就是一件雨衣,就立马可以得出假货的结论了,不知道所谓的交叉证明体现在哪里?如果销售人员愿意那样解释,你信了,那是营销手段的诚信问题和你的分析能力问题。实际上在商场中这个实验不是本身不科学,而是难有可操作性。因为这类材料通常比较脆,透气性也是相对于雨衣来说,最好是有对照实验,要在严苛实验条件下。万一材料因为商场操作人员手法不专业、气密性不好、气泵加压过头、观众干扰、样品老化出现裂纹,就可能导致实验结果有异。而且,这是样品展示,样品是真品,依然不能证明顾客买回去的产品具有同样性能,既然顾客会因此怀疑,厂家和商家冒险实验展示的积极性当然也不会强,所以这个实验其实很难看得到。我所在城市从来没有看到或听说这类实验,想试自己回家泡水最直接。

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流光废物 2013-01-12 11:24

楼上的各位讨论物理很起劲么。
经典力学建立在牛顿三大定律的基础上。按照牛顿定律,物体保持运动状态不变的前提是合力和力矩之和为零。
这里的绝大部分人缺乏物理的专业背景,在这里讨论物理学很难用几十个字让人理解物理甚或误导他人,还是回到户外的话题上吧。

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侧峰 OP 2013-01-12 11:46

从物理角度来说,错误的还不少呢。比如,所谓正压力,实际应该是作用何在斜面上,或者是作用在物体上,但方向是与重力的垂直分力相反的。严格来说我图里画的是错滴。再比如用界面蒸气压模型来解释冲锋衣的原理也过于粗略。但是对于记不清那些物理理论的人来说,这样的简化说法比较容易理解,反正结论是一致的。

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侧峰 OP 2013-01-14 05:44

1、保持身体直立的姿势,不是指僵硬的立正或军队齐步走的姿势。就像日常站立不是站军姿一样,所以和你强调的身体的灵活扭动不矛盾。斜壁弯道快速跑步通过,你说的是对的。除此之外,慢步走、静立斜壁,我说的也是对的。
2、摩擦系数是个实测数值,虽然在理想情况下只与材料有关,但在实际情况下还与接触面的形状、沾染物等因素有关。岩壁不是理想平面(光滑近似水磨石面的情况例外),鞋底也不是,除了形变因素外,还有磨损程度,导致踩在斜壁上时。接触面各部位摩擦系数不一样,也就是非均匀分布,合并计算摩擦系数时,恐怕要对其进行按照面积的加权平均。笼统的估算时,鞋底与岩壁接触面积越大,摩擦系数越大。你可以做个小实验:将登山鞋至于倾斜光木板上,比较全鞋底接触与大半鞋底接触(将一小半鞋底贴上胶带)的匀速下滑临界倾角,看看是否一样。实验结论可以告诉你,全接触时的倾角更大。另外还要考虑运动时脚各部分的不同发力(受力)因素,所以,全脚掌接触时能获得的摩擦力更大。关于脚踝的灵活性问题,它是有限制的,当身体倾斜到一定程度,比如侧歪扶石壁、跪姿等,就无法保证脚底的全接触了。
3、蹲着蹦的问题只是我举得一个例子,我承认并非任何情况下都适用,并且作为一种实际动作,技术要领很重要,所以不是理论上学习就够了,必须在指导下操作。人不是刚体指的是人体会调整姿势,“蹲着蹦”是连续动作过程,而不能看作刚体的起伏跳动。至于“一个小凸起让脚绊到”云云,我能认为是在抬杠么?同样的斜面,蹲在脚上摩擦力大于坐在斜壁上,所以能更好的控制速度,重心问题也并不比坐着难控制(除了极少数特殊情形),所以更安全。
另外你列举的橡胶与服装面料的摩擦系数对比,我不是学材料学的,确实不了解,但是实际的对比实验你做过么?登山鞋底不都是V底,也不都是硬橡胶。我实际尝试过各种姿势的滑坠,包括全身各种部位的接触方式,以及速度失控情况下的下滑冲坠,得出的结论正好与你所说相反,衣服裤子摩擦力小于登山鞋底(非V底)。附加一句,我基本上不买硬V底的鞋,只不过现在越来越难了,就像非gore-tex的中帮鞋一样少见了。

4、你没看到的不等于不正确,看到的也未必都是合理的。年轻时经常尝试山中自然地形的某些跑酷动作(那时还不知道这项运动),比如利用惯性冲上两米多高的竖直岩壁在空中转身跑下。所以关于反冲力、额外的摩擦力及各种斜壁的横切、下滑动作,确实是经验总结,而不仅是理论推导。当初训练领队时,都要求反复练习这些动作,并掌握如何指导新手队员安全通过复杂地形。写在这里的结论,都是经过实践验证的,不必担心误导。本文中只是希望能从理论上做一点解释,便于进一步研究。
5、关于“防水透气演示实验”。我们无法了解设计它的人的本意,只能看它的效果,所谓“论行不论心”。有多少销售人员会在解释这个实验时特意强调:本实验只证明材料透气,不能证明穿在身上后依然能水下透水气?又有多少驴友能够如此细分其间的区别?所以,造成的“误导”效果是显著的。

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phyver 侧峰 2013-01-14 15:38

唉,怎么说你好呢。如果不是为了避免误导新人,真没必要在这里浪费口水。你不说实验还好,一说实验设计,就看出真的是很缺乏科学素养的。

你可以做个小实验:将登山鞋至于倾斜光木板上,比较全鞋底接触与大半鞋底接触(将一小半鞋底贴上胶带)的匀速下滑临界倾角,看看是否一样。

这个实验才是误导,你用贴上胶带的方法,但胶带与斜面接触部分是承受重力的,这意味着没贴部分受的正压力变小,当然摩擦力变小了。正确的对照实验应该是用不同底面积同样质量同种橡胶做,干净均一的橡胶,干净均一的斜面。木板不够均匀,但你非不肯用玻璃板(玻璃板比木板更接近岩石或冰)。不管你这个实验的结果是否与真正实验的结果一致,但实验设计是有严重问题的。另外,你的实验思路本身也不符合常规。科学实验的基本过程是先减少干扰因素,求出少数几个变量的关系,再用修正来考虑干扰因素。你的思路本身很山寨,所以搞得一被讨论就得不停得修补自己的理论,或者不停给自己的理论限定条件,难道这些问题不是在构建理论的时候就应该想清楚的吗?

摩擦系数是个实测数值

摩擦系数的问题是很清楚的,请不要用特殊情况来掩盖理论的缺陷了。所谓测量摩擦系数,其实就是计算摩擦系数。实际上是有专门的摩擦系数测量仪的,测量另一个物体的表面摩擦系数的时候,要用仪器在被测物体上滑动,机器测出压力值和阻力值,就可以算出摩擦系数,显示的值是摩擦系数,不等于测的是摩擦系数,比如热电阻型温度计,测的是电阻值(更确切的说是电压和电流),显示的是温度,能是一回事吗?所谓现实和理想模型的差异,我也正视并作了展开,我也谈到摩擦系数是两个界面的性质与相互作用情况确定的(即A作用于B的μ和A作用于C的μ不同,但摩擦公式相同),但根本没有到推翻或重写理论本身的程度,这里最大的矛盾就是面积问题。摩擦系数测量仪就是用在现实情况下,而非理想实验中。仪器大小是限定的,仪器的测量面材料是特定(固定或自选)的,照你的理论,那滑动一下怎么够?岂不还要测出面积呢?或者像你说的,与接触物、沾染物有关,那就压根没法测量了。(实际应用时,干扰因素作为修正,但界面基底的摩擦系数是可先行确定的。或者,就是把沾染过的界面看成新种类界面。比如要测泥水下的摩擦系数,那就直接在泥水污染过的界面上使用仪器。)

衣服裤子摩擦力小于登山鞋底(非V底)。

来自生活中的经验很多都是错觉,这不用我举例了吧?我有更接近理想对照的经验,我穿袜子和穿登山鞋走过同一块溪流中光滑的石头。你怎么证明你的经验对我的经验错?所以才需要数学和科学啊。我前文中特意指明要可比条件,主要是压力。你用屁股滑和用脚滑,体重的分布是不同的,这又回到我反驳你那个实验设计的问题上了。有价值的比较应该是:用冲锋裤或速干裤绑着脚掌与穿着登山鞋,用同一种蹲着蹦的姿势下滑;或者用正常穿冲锋裤或速干裤的屁股和把登山鞋绑在屁股上的,用同一种坐着挪的姿势下滑,才有可比性。我自忖,我如果是坐在一双登山鞋上往下滑,我宁可直接隔着裤子坐在湿岩壁上滑。
至于V底和非V底,只要是登山鞋的硬底,就没有质的区别。因为橡胶的防滑和耐磨不可兼得,登山鞋大底不可能牺牲耐磨性(或硬度)。至于非登山鞋,效果也不是非常大的,尤其是两栖鞋,基本上只比登山鞋好一点而已。贵一点的专业溯溪鞋,可能会有明显的改善。当然,有些鞋会考虑用吸盘功能来提供额外附着力,这个就超出摩擦力范畴了。我穿过的最防滑的鞋子,基本都来自生活那些不考虑使用寿命(不耐磨)的鞋子,而非户外专业装备。

岩壁不是理想平面(光滑近似水磨石面的情况例外),

我在前文中已经说了岩壁的情况,我不需要修补之前说过的。但我强调,在溯溪线路中,真正有安全考验的场合还真的都是那种水磨石啊。并且,在每一处脚掌大的局部,岩壁呈现的特性是很容易符合理想平面特性的。
另外,鞋子的防滑还是得在水蚀的湿岩壁和南方那种板结的有坡度的湿硬土上去测试,最好还有点藻类附着的那种。如果你不常走这类线路,可能会觉得那都是例外,可能会对自己的鞋底摩擦力有超出实际的自信,那是虚的。在我的户外经验中,那种地面实在太常见了。

岩壁不是理想平面,鞋底也不是

鞋底没必要是理想平面。鞋底是研究对象;实验条件必须简单、可控、可重现,所以斜面应该考虑干扰因素最少的理想平面。

不要误会我跟贴的动机。三次跟贴中,这次主要是科学思想之辩,我已经觉得楼歪得厉害。一开始我只是参与探讨,目的是防止误导新人,用我的专业知识,补充一下本文的理论短板。探讨中双方提供论据,这些论据当然越专业,结论可能越正确。如果你的观点的源头是生活经验,那还真的没有必要太当回事,谁没有点生活经验呢?有些硬伤下我看到的是敝帚自珍,如果坚持原来观点的依据依然停留在生活经验和很不科学的所谓科学实验上,探讨的价值就不大了。正视观点的缺陷也是一种对自己观点负责的姿态。想说的都已经说了,我对自己的科学分析负责。

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侧峰 OP 2013-01-15 19:15

我可没误会你的动机,phyver兄的较真和理论分析,一向是佩服的,之前还特意转帖过你的“鳌山事故分析”,并冠以“最精彩的”之形容词,这在绿野有案可查。上一回复列举个人经验,以及“你没看到的不等于……”云云,是因为我觉得某些地方你用理想模型来代入实际现象,我不赞成,也许言辞过于尖锐?请包涵。我喜欢磨坊的一个氛围就是能严肃探讨问题。

咱俩的主要分歧之一应该是如何理解μ,我认为μ是接触面所有特性(影响摩擦力的)的集合反映,而不仅是材料性质。还有就是我认为岩壁与鞋底是不均匀的,这点不能忽略,因此按照公式F=μ×N 来计算摩擦力时,N对于接触面的分布将影响摩擦力大小,这与你指出的我的“斜面小实验”的谬误,道理是一样的。(嗯,这个小实验是我想跟你开个玩笑,结果你直接看出来了,哈哈,贴胶带是后来改的,原本写的是“一小半鞋底悬空”。)那么,可不可以将这种分布的影响看作是μ 的变化呢?类似的还有弹性体形变导致的附着力增大、沾染物(微屑)影响等等,我都当作是“集合”μ 的一部分。服装问题类似,滑动时面料的非弹性形变、升温、磨损微屑,宏观上看来,就是μ小于鞋底。一方面在实际中不能简单套用理想数据(发现规律需要理想模型,运用规律当考虑实际复杂因素),一方面又想尽量简化分析过程,这就是我的基本思路。确实如你所说,有点儿像是用数据凑经验公式。毕竟,跪姿在斜壁上摩擦力小于立姿,确实是个常见现象,而不仅是我个人的生活经验。

你我双方都把观点及论证清楚的摆明,分歧也明确,应该不用担心产生误导了。欢迎继续探讨,更欢迎以后对我的“忽悠”继续“吹毛求疵”。再次表示谢意。

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流光废物 2013-01-16 01:51

科学不是辩论辩出来或者拿着直观的感觉拍脑袋想出来的,实验设计的科学性也不是想当然的事。
LZ要是有心研究物理,找几本大学的理论力学教材先把牛顿三大定律学通吧,至少也要知道力矩的平衡。
顶楼的摩擦力模型只是最最简化中学水平的摩擦力模型,忽略了刚体和变形,弹性和塑性,大变形和小变形,线性和非线性,接触面形态的影响,深入的鞋底摩擦力分析至少要到专业的研究生水平才能进行。在一个99%的人都没理论基础的论坛上研究这个,只会误导人了。