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:

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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:
昨天 23:40 上传
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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。