Почему мы делаем маленькие шаги при ходьбе по льду?

Причина малых шагов в том, что боковые силы уменьшаются. Представьте, что вы делаете большой шаг по бетону. Когда вы впервые поставите ногу перед собой, она будет толкать бетон вперед. В конце этого шага, когда эта нога окажется далеко позади вас, она будет отталкиваться назад от бетона. Чем больше шаг, тем больше эти силы вперед и назад.

Ваша обычная обувь на льду может выдерживать только небольшие усилия, направленные вперед и назад, прежде чем она соскользнет. Чтобы избежать скольжения, мы делаем меньшие шаги.

Проблема в том, что вопрос неоднозначный.

В контролируемых условиях катка (без коньков) вас беспокоит скольжение и баланс. Таким образом, трение является королем.

В реальной жизни вне катка, на реке или пруду вы боитесь сломать лед и утонуть. Настоящий лед неоднороден по качеству и толщине, а под ним всегда смертоносная вода. Небольшие шаги гарантируют, что вы не создадите большую нормальную силу против куска более тонкого льда (например, балки с одним поддерживаемым концом), и если вы это сделаете, звук скрипа немедленно предупредит вас о необходимости отступить.

Искусство ходьбы по льду заключается в том, чтобы поставить всю подошву на лед и прикладывать столько горизонтальной силы к каждому шагу, чтобы не потерять хватку. Маленькие шаги делают это легче, и если вы потеряете хватку, у вас будет место для большого корректирующего шага, чтобы восстановить равновесие. Это как балансировать карандашом на пальце — чем больше он выходит из равновесия, тем большее корректирующее движение вам нужно. Если корректирующий шаг не работает, можно использовать скольжение. Это помогает немного согнуть колени и держать ноги немного шире.

Секрет в том, что для бега по льду не нужно трение, нужен только идеальный баланс. Трение необходимо только для ускорения и торможения. Потому что, когда нормальная сила параллельна силе удара, нет необходимости в трении, и вы можете сбалансировать направление силы удара так, чтобы среднее направление было параллельно нормальной силе.

Есть критический угол$\mu = \tan( \theta_c)$для ноги, где, если превысить, ступня соскользнет. Чем меньше доступное трение$\mu$тем меньше критический угол.

Даже без льда попробуйте пройти по грунтовой дорожке очень широким шагом, и когда ваша ступня будет нажата, когда нога находится под достаточно большим углом от вертикали, она будет скользить. По этой же причине не рекомендуется ставить лестницы под большими углами, иначе они будут скользить.

На самом деле ответ заключается в том, что маленькие ступени равны воротам с углами, которые минимизируют боковую нагрузку. Вопрос сформулирован ужасно, так как ответ б) должен сказать: минимизируйте боковые силы.

На этот вопрос можно ответить, используя три бита знаний:

1) Под давлением лед тает, образуя слой воды, который в конечном итоге и является причиной того, что лед такой скользкий. (Существует нечто среднее между причиной и следствием, которое связано с аномальным поведением воды между 273К и 277К. Есть видео Ричарда Фейнмана, где он частично обсуждает это.))

2) Сила, прилагаемая вашими ногами ко льду, на самом деле пропорциональна тангенсу угла между вашей ногой и землей между каждым шагом. Кроме того, чтобы уменьшить силу, прикладываемую ногой к льду на единицу площади (что тем самым приводит к таянию льда и уменьшению трения), вам необходимо поставить всю ногу сразу, плоской, на обледеневшую землю.

3) Кроме того, вы не должны слишком широко расставлять ноги, потому что это приведет к соскальзыванию задней ноги.

Итак, приняв во внимание все эти три пункта, вам нужно поставить ногу на лед, не слишком сильно раздвигая ноги. Другими словами, это означает, что вы делаете маленькие шаги и ходите как пингвин, если не хотите рисковать неудачным падением.