短道速滑為什麼能“縱享絲滑”？_風聞

原創：中科院物理所

明天晚上，2022年北京冬奧會就要開幕啦！

本屆冬奧會共設109個比賽項目

分冰上項目和雪上項目

像昨天拿下開門紅的冰壺

體力與智力交輝[1]

美輪美奐的花樣滑冰

翩若驚鴻，婉若游龍[2]

和中國隊傳統優勢短道速滑

王濛：你們是來爭第二的吧[3]

就都是冰上項目。

為什麼王濛踩着冰刀就可以飛馳電掣？

怎麼才能滑得更快更穩？

官方吐槽，最為致命[4]

我們平常説的冰刀分為三種，包括速滑冰刀、花樣冰刀和冰球冰刀，顧名思義，分別用於速度滑冰（包括短道速滑）、花樣滑冰和冰球。按照不同運動的不同需求，不同種類冰刀的形狀、重量乃至構造都有區別。具體而言，速滑冰刀的刀刃最窄，只有大約1.4mm，相比而言，最寬的花樣冰刀刀刃有3.5mm厚，可以支持運動員在冰面上穩定地做出各種複雜的動作。

數不清轉了多少圈的羽生結弦[5]

冰刀的刃可以嵌入冰面，避免在垂直刃的方向上發生我們不想要的滑動。在沿着冰刀刃的方向又可以保持很小的摩擦力。有了冰刀的幫助，運動員就可以在冰面上自如地滑行，而不會動不動來一段冰上街舞了。

這！就是街舞[6]

那麼，為什麼冰刀和冰面之間的摩擦力這麼小呢？一種常見的説法是，冰刀與冰面之間極小的接觸面積造成了非常大的壓強，這一壓強使冰的熔點下降，在表面形成了一層水膜。正是這層水膜減小了冰刀與冰面之間的摩擦力。但是，我們在兩年前的一篇推送（冰：最近感覺壓力有點大|正經玩）裏發出了靈魂一問：冰刀施加的壓強到底能使熔點下降多少？真的可以使冰融化嗎？

在水的相圖中，固液分界線BD段描述了冰熔點隨着壓強變化的變化趨勢。BD段小於零的斜率意味着隨着壓強增大，熔點逐漸降低。

水的相圖[7]

我們假設一名運動員體重70公斤，來看看他穿着冰刀站在冰面上時對冰面施加的壓強可以讓冰的熔點下降多少。按照刀刃與冰面接觸面積最小的速滑冰刀計算，一般來説，刀刃前端超出腳尖8~9cm，後端超出腳跟5~6cm[8]。取冰刀刀刃長度50cm，平均寬度按1.4mm計算。單腳站立的情況下，運動員通過冰刀對冰面產生的壓強大約10⁶Pa，也就是10個標準大氣壓。代入描述相變的克拉伯龍方程

結果得到此時冰的熔點是273.08K，也就是零下0.07℃。而奧運會各種比賽中，冰面温度一般在-5℃~-7℃。顯然，單純依靠壓強並不會使冰面融化。

或許有的讀者會想，冰面上的摩擦力雖然小，但畢竟不是完全不存在。有沒有可能是摩擦產生的熱量使冰層表面融化成了水膜，又反過來減小了冰面摩擦呢？如果你也是這麼想的，那麼恭喜你做出了與當年物理學家相同的猜想。

在1939年，劍橋大學的兩位科學家就猜想，滑冰時冰刀與冰面的快速摩擦產生的熱量可能是冰面融化形成水膜的主要原因[9]。可惜後來人們證明，摩擦產熱導致的水膜厚度會明顯小於20μm，而冰面本身的粗糙度就已經在幾十到幾百微米了。也就是説，摩擦產生的水膜甚至不能填滿冰層表面的“小水坑”，也就更不能提供有效的潤滑了。

隨着實驗技術的發展，1960年以後，科學家們逐漸可以對冰面的微觀結構進行足夠精確的觀察。温度不太低的時候，冰層與空氣接觸的表面並不是從規則排列的水分子突變成空氣，而是存在一個過渡層[10,11]。過渡層內部具有逐漸變化的結構，從分子排列整齊的晶態冰，到冰水混合物，再到完全的液態水膜。冰水混合物中的微型冰粒通過範德華力和氫鍵之類的弱作用力連結，形成了可以貯存液態水的多孔結構，就像凝膠****珠一樣。越靠近空氣，過渡層中水分子的排列就越加無序，液態水就越多，固體冰晶之間的連結也越弱，甚至在水膜中出現了可以自由活動的微型冰碴和冰粒。

冰表面的過渡層示意[12]

在最新的理論中[12]，水膜裏的微型冰碴和冰粒充當了軸承滾珠的角色，它們將滑冰時宏觀上的滑動摩擦轉變為微觀上的滾動摩擦。冰刀產生的壓強作用在過渡層中半熔化的冰水混合物上，這些冰水混合物像被捏爆的凝膠珠一樣釋放出液態水。這些水增加了原本水膜的厚度，使潤滑的效果更好，進一步降低了冰面上的摩擦係數。這樣，冰刀就可以在不直接接觸晶態冰層的情況下，通過冰層表面自帶的過渡層減小阻力，實現流暢的滑行。

在速度滑冰的比賽中，有時候一釐米的優勢都會決定比賽最終的勝負。運動員們早已不將減阻潤滑的希望完全寄託在冰面本身的性質上。一副出色的冰刀就像孫悟空手裏的如意金箍棒，是運動員們獲得比賽勝利的技術保障。

現在賽場上使用的冰刀，早已不像我們想象的那樣，只是一個簡單的鐵片。它的側面形狀和刀刃設計中都有着豐富的力學原理。就短道速滑冰刀而言，側面是一個複雜的曲線。按照運動員的不同喜好，這一曲線可以由一段或者幾段曲率半徑很大的弧形組成。這些弧形的曲率可以彼此不同，但要在交界處平滑地過渡。弧形的具體設計和運動員的習慣和動作息息相關，並沒有統一的設計標準和理論分析。按照現有的一些數值模擬結果[13]，曲率半徑在15~20m的擺線形設計可能有利於在具體發力時降低冰面和冰刀之間的摩擦。

冰刀前中後段的弧形各有不同[14]

冰刀的刃與平常的想象區別更大，它是一個槽型的寬刃。刃的剖面是一個弧形，中間凹陷而兩側向下突出，形成了兩個鋭角形的側刃。圓弧形槽面的曲率半徑是一個相對重要的設計參數。刀口寬度一定的情況下，曲率半徑決定了槽中心凹陷的深度，也就決定了兩個側刃的鋭利程度。

槽刃冰刀示意圖[15]

在直道滑行時，槽刃冰刀與普通單刃冰刀相比的優勢並不特別明顯。但是在通過彎道時，運動員需要冰刀提供水平的向心力，這時候單刃冰刀就顯得力不能及了。

在高中物理中，我們學過向心力的公式

在轉彎軌跡半徑和質量都基本不變的情況下，如果想高速通過彎道，就必須有巨大的向心力。相比於呈90°角嵌入冰面的單刃冰刀，槽刃冰刀由於只用槽刃一側的鋭角劈尖接觸冰面，因此可以以更鋭利的角度嵌入冰面。在同樣的劈背正壓力作用下，槽刃冰刀嵌入冰面的深度更大，可以提供比單刃冰刀更大的受力面積。由於運動員蹬冰時，冰刀和冰面之間的壓強基本恆定，所以更大的受力面積就可以承受更大的力。同時，在運動員身體傾斜角度θ保持不變的情況下，槽刃冰刀嵌入冰面的側刃，與單刃冰刀表面相比，表面更加豎直。根據力的矢量分解原則，合力的水平分力更大。這些因素都保證了槽刃冰刀在水平方向上可以提供比單刃冰刀更大的向心力。因此，使用槽刃冰刀可以使運動員在過彎時不必減速，更加流暢地完成兩個直道間的過渡。

單刃冰刀（左）和槽刃冰刀（右）在轉彎蹬冰時的受力比較[16]

現代的冰刀設計的初衷，就是為了讓人們在冰上滑得更穩、更快、更安全。有了現代技術的加持，小夥伴們不妨做好安全防護，跟隨着冬奧會冰墩墩的腳步，一起走上冰場吧~

蕪“虎”起飛~[17]

參考文獻

[1] 新浪微博@人民日報

[2] https://b23.tv/ZvteYbh

[3] https://b23.tv/2TPU2j5

[4] https://b23.tv/xeh7rXR

[5] https://b23.tv/SCudXQg

[6] https://b23.tv/4ln3qOD

[7]http://philschatz.com/chemistry-book/contents/m51080.html

[8]李夢晗. 基於水基潤滑理論的冰刀減阻影響參數研究[D].北方工業大學,2021.

[9] Bowden, F. P.; Hughes, T. P. Proc. Roy. Soc. Lond. A 1939, 172 (949), 280.

[10] Rosenberg, R. Physics Today 2005, 58 (12), 50.

[11] Orem, M.W. J. Colloid Interface Sci. 1969, 31 (2), 278.

[12]王廣振,王文亮,高欣,張樹永.導致冰面極低摩擦係數的原因:研究進展及模型分析[J].大學化學,2019,34(01):33-38.

[13]周驥. 速滑冰刀的參數化設計及摩擦特性分析[D].吉林大學,2016.

[14] 劉錦程,胡蘭萍.冰刀研磨微細結構變化對冰刀性能的影響[J].冰雪運動, 1999(3):72-75.

[15]豆照良,劉峯斌,汪家道.速滑冰刀減阻與高效驅動技術研究[J].冰雪運動,2018,40(04):13-18.

[16]劉鋒,關汝華.短道速滑使用槽刃冰刀的理論初探[J].體育學刊,2013,20(03):108-111.

[17] https://b23.tv/RTIOG8M

封面圖來源：B站@嗶哩嗶哩放映姬

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