八字环如何控制下降速度

在集上看到有卖绳索和金属扣的，突然想起了我热爱的登山和救援活动，特来跟大家分享一下，高空救援或者是登山中用到的物理学知识。有了物理学的加持，可以让你更好地发挥绳索和装备的作用，关键时刻可以救命。

图1 常见的登山绳

一、动量定理助我们选择不同类型的绳索

不论是登山、高空作业、高空救援、高空逃生等作业过程中，绳索都是必须的装备。大家耳熟能详的绳索类型主要有静力绳和动力绳。

动力绳的特点和性能指标：静拉力为2000kg，直径为8~12mm，常用的为10mm或10.5mm；延展性为6%~8%；适用于攀登。

静力绳的特点和性能指标：静拉力为2000kg，直径为8~12mm，常用的为10mm或10.5mm；延展性为20%，适用于无太大冲坠的操作、下降、探洞、救援等。

我们看到，这两种绳子的主要区别就是延展性（弹性）不同，动力绳的延展性小于静力绳的延展性。

图2 崖降中的绳索使用

在实际的使用中，不论是上升还是下降，静力绳也常常作为副绳（保护绳），用于坠落保护。为什么延展性（弹性）更好的静力绳可以作为保护绳呢？

这就要靠动量定理来解释了。动量定理的表述为：合外力的冲量等于物体动量的增量。用数学公式来表达即：FΔt=mv1-mv2。

人在下坠过程中，在弹性更好的静力绳的保护下，从坠落到静止下来的时间Δt比较长，这样，人受到的冲击力F就比较小，从而减小冲击力对人体的伤害，起到保护的作用。

图3 八字环

二、巧用摩擦力助我们轻松控制下降速度

可能很多喜欢户外运动的小伙伴都喜欢崖降、瀑降。在这两种运动中，有一种装置是大家非常熟悉的，这就是八字环。

八字环也被称为逃生器或者是缓降器，一些特殊的八字环（比如牛角八字环）还可以完成空中悬停这样的动作。

是什么让八字环能够帮助我们用比较小的力量就能轻松控制下降速度呢？这就是因为八字环利用了绳子和八字环之间的摩擦力。

图4 牛角八字环

在下降的时候，由于摩擦力的合力方向是沿着绳索的不断改变，最后变成向上的拉力。绳索沿着八字环表面的摩擦力大小与绳索与八字环之间的压力成正比，即，f=μN。

其中，f是绳子与八字环之间的摩擦力，μ是绳子与八字环之间的滑动摩擦系数，N是绳子对八字环表面的正压力。只要我们控制绳索对八字环的压力，就能控制摩擦力的大小，从而让我们控制下降的速度。

由于让八字环发挥作用的是滑动摩擦力，所以在使用八字环的时候，要注意上面的手不要太靠近八字环，一是防止手套卷入八字环影响绳子在八字环上的滑动；二是防止，由于绳索和八字环之间的摩擦导致八字环温度升高带来的烫伤。

图5 抓结

三、抓结

其实，在登山等高空作业的过程中，利用摩擦力的安全装置，不仅有八字环，另外一种户外运动中最常用的绳结：抓结，也是利用摩擦力来发挥作用的装置。

我们来看一个抓结的图，如图5，普鲁士抓结（也称作鸡爪结）抓结可以用于防止突然下坠，也可以用于制作在上升过程中的蹬踏装置。

当抓结的蹬踏部分受力紧张的时候，抓结就会通过收紧圈套在主索上的绳结，增加绳索之间的摩擦力，来让绳结完成抓紧主索的动作。

另外，只要我们放松抓结的蹬踏位置，抓结就可以放松与主索之间的摩擦，从而保证抓结可以在主索上根据需要上下移动。

图6 三分之一系统

四、用好滑轮组，高空救援更省力

在高空救援的时候，我们常常要使用滑轮组，通过省力的方法来提升重物（比如担架）。在组成救援滑轮组的时候，其实不仅仅可以用专业的滑轮，也可以用挂扣和绳结来组成滑轮组。

后者是在我们的救援装备不足的时候才采用的。尽管这种方式没有专业的滑轮组效率高（系统摩擦比较大），但是通过调整滑轮组的省力比例，我们也可以获得一套高效的省力装置。

当然了，滑轮组也通常可以跟上升装置配合，在搭建横跨山涧或者是河流的溜索系统的时候，用于张紧主索。

滑轮其实就是一个可变支点的杠杆。滑轮组就是多个滑轮（定滑轮和动滑轮）组成的系统。通常用于救援的省力系统有三分之一系统、五分之一等系统。

图7 四分之一系统

总结

用于登山、救援、高空作业保护等装置远不止我们前面介绍的这几条，它们只是众多登山和救援装备中的“冰山一角”。但是，不论哪个装备，都是利用了深刻的物理学原理。

学好物理，我们就能灵活使用这些装备，甚至是在装备不足的情况下，完美完成任务。而不仅仅是生搬硬套救援培训中的方法，不会灵活变通了。看来学好物理真的很重要，关键时刻能救命，并不是虚言。

我是老郭，物理系毕业生，科学爱好者，持续为您提供高质量的科普文章。如果您对这些知识有兴趣，我的头条专栏《零基础物理学入门——力学篇》里面有更详细的介绍，可以给您提供系统性的帮助，赶快订阅吧。