一种拔河比赛中绳的摩擦问题及拔河的演示装置

技术领域

本专利涉及一种拔河绳与物体表面摩擦系数关系及拔河的演示装置，属于体育与物理实验领域。

背景技术

拔河比赛是体育比赛的重要项目之一，拔河比赛作为各类高等学校体育运动会中热门的比赛看点项目，培养团队的集体荣誉感、团结一致的拼搏精神，参与度高。各种各样的指挥方式方法不断地探索，其中指挥者重视拔河比赛时队员脚下的摩擦力和身体的姿态，队员站成一条线、绳要伸直等，但常常忽略用手握绳，手与绳之间的静摩擦来产生拔绳的动力这一问题；在完成好脚下、身体姿势等准备工作后，就是通过手握绳的力产生摩擦力来牵引绳子达到拔河目的，也就是，在队员不变的情况下，还应该考虑手握绳子的接触时间等因素对最大静摩擦力(最大静摩擦系数)的影响，如果有了这个参数规律，就可以指挥队员控制好手握绳接触的时间，来产生最大静摩擦系数，可以有效提升拔河比赛集体力量的爆发点来获得比赛胜利；目前关于拔河比赛专利文献都是比赛装置、系统方面的内容居多，尚未发现本专利要解决的有关实验演示、测量的报道，能否设计一个实验来解决这个问题，本专利就要解决这个问题。本专利是在国家自然基金项目(项目号：11405092)、黑龙江省省属高等学校基本业务费科研项目(项目号：135209251)及黑龙江省高等学校教改与应用项目(项目号：SJGY20170385)的支持下完成的(注：发明人曹天泽现为齐齐哈尔实验中学高一学生)。

参考文献：一种演示拔河比赛取胜原因的装置，中国专利，2023年；

拔河比赛中的力学问题，物理通报，2015年6期。

发明内容

本专利是解决拔河比赛绳与物体表面最大静摩擦系数问题，着重通过均匀柱状绳子、重物、不动凹柱面槽和动凹柱面槽，弹性绳或弹簧测力计给出绳与物体表面最大静摩擦系数测量，获得最大静摩擦系数与饱和接触时间的规律及演示拔河装置，有效解决拔河中的手握绳的技术与方法。

本专利技术方案：方案之一，一种拔河比赛中绳的摩擦问题的演示装置，主要包括不动凹柱面槽，动凹柱面槽，柱状绳，弹性绳或者弹簧，牵引丝，刻度板，标记节，牵引导向环，弹性绳或者弹簧水平导向槽，导向杆，动凹柱面槽导向环，重物和水平桌面构成，其特征是：不动凹柱面槽和动凹柱面槽均是同一材料制成(就是长方体物体在面向柱状绳侧面加工成凹柱面)相同大小的凹柱面槽，由不动凹柱面槽和动凹柱面槽构成柱状绳的摩擦装置，所述不动凹柱面槽和动凹柱面槽的凹柱面槽内表面均匀粘贴固定仿造皮肤材料(如，硅胶等)或者是真皮(猪皮、牛皮等)，不动凹柱面槽固定在水平桌面上，所述动凹柱面槽的侧向凌边分别固定相同的用于动凹柱面槽上下运动的导向环，也就是动凹柱面槽导向环，不动凹柱面槽的侧向凌边分别固定相同的均质光滑的柱状导向杆，导向杆的外径刚好与动凹柱面槽导向环的内径匹配，所述导向杆彼此竖直平行；所述柱状绳是麻绳制成的绳子截取一段(也可以是其它材料制成，传统麻绳的形状)，在柱状绳的一端中心处与弹性绳或者弹簧的一端固定(可以用中心带有挂钩的圆钢板片固定在柱状绳的一端，弹性绳或者弹簧的一端与圆钢片上挂钩固定)，弹性绳或者弹簧的另一端与牵引丝连接(固定)形成标记节(标记节上有一个竖直细杆用于弹性绳或者弹簧伸长量的位置标记)，牵引丝穿过牵引导向环，牵引导向环固定在竖直杆上，所述竖直杆固定在水平桌面上，牵引丝与弹性绳或者弹簧和柱状绳的中轴线重合，所述刻度板为长方形硬质板上刻有坐标刻度(坐标轴水平，原点为弹簧处于自然状态下，标记节上竖直细杆在水平方向对应刻度板上的位置)，刻度板竖直(垂直水平桌面)平行于柱状绳的中轴线并固定在水平桌面上；所述弹性绳或者弹簧水平导向槽为光滑凹槽，凹槽的方向与柱状绳的中轴线、刻度板平行，且固定在水平桌面上的立柱上端，所述立柱固定在水平桌面上，弹性绳或者弹簧(伸长量均遵循胡克定律)水平导向槽能够确保弹性绳或者弹簧处于水平状态；所述不动凹柱面槽和动凹柱面槽的凹柱面槽与柱状绳相匹配，凹柱面槽的柱面母线与柱状绳的柱面母线平行(柱状绳放置在不动凹柱面槽和动凹柱面槽之间后，不动凹柱面槽和动凹柱面槽的凹柱面之间保持一定的间隙，且在加重物和砝码后不能接触，不影响凹柱面对绳子施加的压力)；

实验演示准备，柱状绳放入不动凹柱面槽中，然后将动凹柱面槽的动凹柱面槽导向环穿入不动凹柱面槽上的柱状导向杆，把重物(可以再加砝码)放置在动凹柱面槽的上部，重物和动凹柱面槽质量事先分别量出，把弹性绳或者弹簧(倔强(弹性)系数已知)一端与柱状绳的一端固定，另一端与牵引丝固定，拉牵引丝使得弹性绳或者弹簧在弹性绳或者弹簧水平导向槽的光滑凹槽上处于水平自然状态，在刻度板上标记(记录，标注)标记节对应位置(弹性绳或者弹簧自然状态的位置)，演示测量如下内容：

实验1，在重物11和动凹柱面槽2质量保持不变的情况下，在动凹柱面槽与柱状绳接触时间分别为t＝1秒，2秒，3秒，4秒，5秒，6秒，7秒，8秒，9秒，10秒，20秒，30秒，60秒时，分别拉牵引丝在柱状绳刚要滑动时，在刻度板上标注标记节对应的位置；在电脑通过数据拟合处理，给出最大静摩擦系数μ与接触时间t关系(如果数据规律不明显，还可以增大接触时间获得更充分的数据)；

实验2，在动凹柱面槽质量及在动凹柱面槽上面重物不变的情况下，依次在动凹柱面槽上加砝码，在动凹柱面槽与柱状绳接触时间不变时，每增加一次砝码，分别在拉牵引丝在柱状绳刚要滑动时，在刻度板上标注标记节对应的位置；在电脑通过数据拟合处理，给出最大静摩擦力或最大静摩擦系数μ与压力增加的关系(注：所增加砝码的重量以不改变动凹柱面槽与柱状绳接触面积的前提下进行)；

通过上面的实验测量，可以给出接触时间与摩擦系数关系，可以指导拔河时集体用力增大与绳接触时间，达到饱和时间长短，掌握握绳时间，增大集体对绳的摩擦力，进而增大牵引绳的力；

我们也可以用拉力传感器接入电脑，用拉力传感器替代弹性绳或者弹簧，读取更方便，不过从演示直观角度弹性绳或者弹簧测力更便于学生理解，有一种真实存在感；

在以上思路基础上又可拓展出如下拔河方案：

方案之二，柱状绳不同的接触时间拔河演示装置，主要包括滑动齿条，滑动齿条导向管，驱动齿轮，手摇驱动柄，柱状绳的摩擦装置a，柱状绳的摩擦装置b，柱状绳，其特征：柱状绳的摩擦装置a和柱状绳的摩擦装置b均是动凹柱面槽通过动凹柱面槽导向环与不动凹柱面槽组合在一起的相同装置，柱状绳被夹在摩擦装置a和摩擦装置b中，柱状绳的摩擦装置a和摩擦装置b(也就是底部不动凹柱面槽1)分别固定在两个滑动齿条上(随着滑动齿条移动而移动)，两个滑动齿条在同一水平面平行分别穿过与之匹配内表面光滑的4个滑动齿条导向管，滑动齿条导向管固定在水平桌面上处于等高；驱动齿轮的中心转轴垂直固定在水平桌面上，手摇驱动柄固定在驱动齿轮上(手摇驱动柄逆时针旋转，驱动齿轮也随之逆时针旋转)，在两个滑动齿条之间的水平桌面上固定与之匹配的驱动齿轮，驱动齿轮驱动两个滑动齿条平行相向运动，进而驱动柱状绳的摩擦装置a和柱状绳的摩擦装置b运动(远离或接近)；当手摇驱动柄逆时针旋转，驱动齿轮也随之逆时针旋转，进而驱动柱状绳的摩擦装置a和柱状绳的摩擦装置b做相对同步远离运动(拔河运动)；这样的优点在于相对同一个惯性参考系，不会因一个装置运动，而另一个装置不动带来的惯性问题；演示实验如下：

将柱状绳拉直分别放在柱状绳的摩擦装置a和柱状绳的摩擦装置b的不动凹柱面槽内，再将动凹柱面槽由动凹柱面槽导向环穿过导向杆压在柱状绳上，然后放置重物；控制摩擦装置a和摩擦装置b与柱状绳的接触时间观察对柱状绳摩擦力的影响；

1)在柱状绳的摩擦装置a和摩擦装置b上重物相同时，柱状绳的摩擦装置a和摩擦装置b上动的凹柱面槽上移不接触柱状绳，当摩擦装置a上动的凹柱面槽放下Δt秒后，再将摩擦装置b上动的凹柱面槽放下Δt1秒后，手摇驱动柄逆时针旋转，驱动齿轮也随之逆时针旋转，进而驱动摩擦装置a和摩擦装置b做相对同步远离运动(拔河运动)，观察柱状绳位置标识杆相对刻度板位置变动；

2)在柱状绳的摩擦装置a和摩擦装置b上重物不相同时，重复上面1)实验过程，观察柱状绳位置标识杆相对刻度板位置变动。

本专利的灵感：在拔河实践中，在拔河比赛时通常队员重视脚下的摩擦力和身体的姿态，这一点是很重要，再通过手握绳产生摩擦力来牵引绳子达到拔河目的；如何在绳子材料和人手这些因素不变(手与绳之间不添加其它介质或者辅助配件)的情况下，获得更大的摩擦系数呢？经过几个月的时间研究，推测手与绳子接触时间会有影响吗？正直冰雪未化的季节，我们首先做了一个实验：物块在冰面上接触的时间会影响最大静摩擦力，会有饱和接触时间的，在达到饱和接触时间后静摩擦系数最大，受此启发，我们在队员不变的情况下，还应该考虑手握绳子的接触时间对最大静摩擦力(最大静摩擦系数)的影响，如果获得了这个参数规律，就可以更有效指挥队员获得最佳静摩擦力时间节点进而取得比赛胜利；在本专利的实验中，考虑因手握绳子压力是不稳定的，不易测量观察绳子接触时间对摩擦系数的影响，因此用动凹柱面槽、重物和砝码产生的压力稳定，可以量化研究，间接获得规律，这一研究技术与方法既可以推广到体育与物理教学中供学生探究，又可以推广到拔河比赛竞技中，是非常有意义的。

本专利的有益效果，1)通过均匀柱状绳子、重物、不动凹柱面槽和动凹柱面槽，弹性绳或弹簧测力计给出绳与物体表面最大静摩擦系数测量，再通过数据拟合得到物体表面与绳子之间的最大静摩擦系数；2)选择同一绳子在不同接触时间来研究最大静摩擦系数与手接触绳时间的规律，可以指导拔河时集体集中用力的时间。装置制造成本低、制作极其简易，效果明显，有效解决拔河中的手握绳的技术与方法，对教学与科研提供了有意义的借鉴作用，具有显著的特点和突出的实质性的进步。

附图说明

附图1为本专利的结构示意图；

附图1说明，1.不动凹柱面槽，2.动凹柱面槽，3.柱状绳，4.弹性绳或者弹簧，5.牵引丝，6.刻度板，7.标记节，8.牵引导向环，8-1.弹性绳或者弹簧水平导向槽，9.导向杆，10.动凹柱面槽导向环，11.重物，12.水平桌面。

附图2为柱状绳不同的接触时间拔河装置演示示意图(俯视图)；

附图2说明(注：与附图1的附图标记相同的属于同一个内容)，其中，2.动凹柱面槽，3.柱状绳，6.刻度板，10.动凹柱面槽导向环，11.重物，12.水平桌面，13-1.滑动齿条，13-2.滑动齿条，14.滑动齿条导向管，15.驱动齿轮，16.手摇驱动柄，17.柱状绳位置标识杆。

具体实施方式

实施例之一，如附图1：一种拔河比赛中绳的摩擦问题的演示装置，主要包括不动凹柱面槽1，动凹柱面槽2，柱状绳3，弹性绳或者弹簧4，牵引丝5，刻度板6，标记节7，牵引导向环8，弹性绳或者弹簧水平导向槽8-1，导向杆9，动凹柱面槽导向环10，重物11，水平桌面12构成，其特征是：不动凹柱面槽1和动凹柱面槽2均是同一材料制成(就是长方体物体在面向柱状绳3侧加工成凹柱面)相同大小的凹柱面槽，由不动凹柱面槽1和动凹柱面槽2构成柱状绳3的摩擦装置，所述不动凹柱面槽1和动凹柱面槽2的凹柱面槽内表面均匀粘贴固定仿造皮肤材料(如，硅胶等)，不动凹柱面槽1固定在水平桌面12上，所述动凹柱面槽2的侧向凌边分别固定相同的用于动凹柱面槽2上下运动的导向环，也就是动凹柱面槽导向环10，不动凹柱面槽1的侧向凌边分别固定相同的均质光滑的柱状导向杆9，导向杆9的外径刚好与动凹柱面槽导向环10的内径匹配，所述导向杆9彼此竖直平行；所述柱状绳3是麻绳制成的绳子截取(也可以是其它材料制成，可以是传统麻绳的形状，也可以是纹络比较浅的柱状绳)一段，在柱状绳3的一端中心处与弹性绳或者弹簧4的一端固定(可以用中心带有挂钩的圆钢板片固定在柱状绳3的一端，弹性绳或者弹簧4的一端与圆钢片上挂钩固定)，弹性绳或者弹簧4的另一端与牵引丝5连接(固定)形成标记节7(标记节7上有一个竖直细杆用于弹性绳或者弹簧4伸长量的位置标记)，牵引丝5穿过牵引导向环8，牵引导向环8固定在竖直杆上，所述竖直杆固定在水平桌面12上，牵引丝5与弹性绳或者弹簧4和柱状绳3的中轴线重合，所述刻度板6为长方形硬质板上刻有坐标刻度，刻度板6竖直(垂直水平桌面12)平行于柱状绳3的中轴线并固定在水平桌面12上；所述弹性绳或者弹簧水平导向槽8-1为光滑凹槽，凹槽的方向与柱状绳3的中轴线、刻度板6平行，且固定在水平桌面12上的立柱上端，所述立柱固定在水平桌面12上，弹性绳或者弹簧水平导向槽8-1能够确保弹性绳或者弹簧4处于水平状态；所述不动凹柱面槽1和动凹柱面槽2的凹柱面槽与柱状绳3相匹配，凹柱面槽的柱面母线与柱状绳3的柱面母线平行(柱状绳3放置在不动凹柱面槽1和动凹柱面槽2之间后，不动凹柱面槽1和动凹柱面槽2的凹柱面之间保持一定的间隙，且在加重物11和砝码后不能接触，不影响凹柱面对绳子施加的压力)；

实验演示准备，柱状绳3放入不动凹柱面槽1中，然后将动凹柱面槽2的动凹柱面槽导向环10穿入不动凹柱面槽1上的柱状导向杆9，把重物11(可以再加砝码)放置在动凹柱面槽2的上部，重物11和动凹柱面槽2质量事先分别量出，把弹性绳或者弹簧4一端与柱状绳3的一端固定，另一端与牵引丝5固定，拉牵引丝5使得弹性绳或者弹簧4在弹性绳或者弹簧水平导向槽8-1的光滑凹槽上处于水平自然状态，在刻度板6上标记(记录)标记节7对应位置(弹性绳或者弹簧4自然状态的位置)，演示测量如下内容：

实验1，在重物11和动凹柱面槽2质量保持不变的情况下，在动凹柱面槽2与柱状绳3接触时间分别为t＝1秒，2秒，3秒，4秒，5秒，6秒，7秒，8秒，9秒，10秒，20秒，30秒，60秒时，分别拉牵引丝5在柱状绳3刚要滑动(发生滑动前)时，在刻度板6上标记(标注)标记节7对应的位置；在电脑通过数据处理，给出最大静摩擦系数μ与接触时间t关系；

实验2，在动凹柱面槽2质量不变，在动凹柱面槽2上面有重物11基础上，依次在动凹柱面槽2上加砝码，在动凹柱面槽2与柱状绳3接触时间不变时，每增加一次砝码，分别在拉牵引丝5在柱状绳3刚要滑动(发生滑动前)时，在刻度板6上标注(标记)标记节7对应的位置；在电脑通过数据处理，给出最大静摩擦力(系数μ)与压力增加的关系。

实施例之二，如附图2：为柱状绳不同的接触时间拔河装置，主要包括滑动齿条13-1，滑动齿条13-2，滑动齿条导向管14，驱动齿轮15，手摇驱动柄16，柱状绳3的摩擦装置a，柱状绳3的摩擦装置b，柱状绳3，其特征：柱状绳3的摩擦装置a和柱状绳3的摩擦装置b均是动凹柱面槽2通过动凹柱面槽导向环10与不动凹柱面槽1组合在一起的相同装置，柱状绳3被夹在摩擦装置a和摩擦装置b中，柱状绳3的摩擦装置a和摩擦装置b(也就是底部不动凹柱面槽1)分别固定在滑动齿条13-1和滑动齿条13-2上(随着滑动齿条移动而移动)，滑动齿条13-1和滑动齿条13-2在同一水平面平行分别穿过与之匹配内表面光滑的滑动齿条导向管14，滑动齿条导向管14固定在水平桌面12上处于等高；驱动齿轮15的中心转轴垂直固定在水平桌面12上，手摇驱动柄16固定在驱动齿轮15上(手摇驱动柄16逆时针旋转，驱动齿轮15也随之逆时针旋转)，在滑动齿条13-1和滑动齿条13-2之间的水平桌面12上固定与之匹配的驱动齿轮15，驱动齿轮15驱动滑动齿条13-1和滑动齿条13-2平行运动，进而驱动柱状绳3的摩擦装置a和柱状绳3的摩擦装置b运动(远离或接近)；当手摇驱动柄16逆时针旋转，驱动齿轮15也随之逆时针旋转，进而驱动柱状绳3的摩擦装置a和柱状绳3的摩擦装置b做相对同步远离运动(拔河运动)；这样的优点在于相对同一个惯性参考系，不会因一个装置动，而另一个装置不动带来的惯性问题；演示实验如下：

将柱状绳3拉直分别放在柱状绳3的摩擦装置a和柱状绳3的摩擦装置b的不动凹柱面槽1内，再将动凹柱面槽2由动凹柱面槽导向环10穿过导向杆压在柱状绳3上，然后放置重物11；控制摩擦装置a和摩擦装置b与柱状绳3的接触时间观察对柱状绳3摩擦力的影响；

1)在柱状绳3的摩擦装置a和摩擦装置b上重物11相同时，柱状绳3的摩擦装置a和摩擦装置b上动的凹柱面槽2上移不接触柱状绳3，当摩擦装置a上动的凹柱面槽2放下Δt秒后，再将摩擦装置b上动的凹柱面槽2放下Δt1秒后，手摇驱动柄16逆时针旋转，驱动齿轮15也随之逆时针旋转，进而驱动摩擦装置a和摩擦装置b做相对同步远离运动(拔河运动)，观察柱状绳位置标识杆12相对刻度板位置变动；具体可按如下时间演示，柱状绳3的摩擦装置a和摩擦装置b总的接触时间由最初差别大逐渐趋于相等，

Δt＝20秒，Δt1＝3秒；

Δt＝20秒，Δt1＝5秒；

Δt＝20秒，Δt1＝10秒；

Δt＝20秒，Δt1＝15秒；

Δt＝20秒，Δt1＝45秒；

Δt＝20秒，Δt1＝120秒；

Δt＝20秒，Δt1＝180秒；

2)在柱状绳3的摩擦装置a和摩擦装置b上重物11不相同时，重复上面1)实验过程，观察柱状绳位置标识杆12相对刻度板位置变动；具体可以按柱状绳3的摩擦装置a和摩擦装置b上重物11质量与摩擦装置上的动的凹柱面槽质量2的总和之比为1.1∶1(也就是柱状绳3的摩擦装置a是摩擦装置b的握力(压力)1.1倍，就相当于两队比赛：摩擦装置a对比摩擦装置b对的握力大0.1倍)。

总之，还可以根据需要去调整相应参数来观察实验结果。