明天晚上，2022年北京冬奧會(huì)就要開(kāi)幕啦！

本屆冬奧會(huì)共設(shè)109個(gè)比賽項(xiàng)目

分冰上項(xiàng)目和雪上項(xiàng)目

像昨天拿下開(kāi)門(mén)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(guó)隊(duì)傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)短道速滑

王濛：你們是來(lái)爭(zhēng)第二的吧[3]

就都是冰上項(xiàng)目。

為什么王濛踩著冰刀就可以飛馳電掣？

怎么才能滑得更快更穩(wěn)？

官方吐槽，最為致命[4]

我們平常說(shuō)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，分別用于速度滑冰（包括短道速滑）、花樣滑冰和冰球。按照不同運(yùn)動(dòng)的不同需求，不同種類冰刀的形狀、重量乃至構(gòu)造都有區(qū)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(yùn)動(dòng)員在冰面上穩(wěn)定地做出各種復(fù)雜的動(dòng)作。

數(shù)不清轉(zhuǎn)了多少圈的羽生結(jié)弦[5]

冰刀的刃可以嵌入冰面，避免在垂直刃的方向上發(fā)生我們不想要的滑動(dòng)。在沿著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(yùn)動(dòng)員就可以在冰面上自如地滑行，而不會(huì)動(dòng)不動(dòng)來(lái)一段冰上街舞了。

這！就是街舞[6]

那么，為什么冰刀和冰面之間的摩擦力這么小呢？一種常見(jiàn)的說(shuō)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(qiáng)，這一壓強(qiáng)使冰的熔點(diǎn)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?cè)趦赡昵暗囊黄扑停ū鹤罱杏X(jué)壓力有點(diǎn)大|正經(jīng)玩）里發(fā)出了靈魂一問(wèn)：冰刀施加的壓強(qiáng)到底能使熔點(diǎn)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(diǎn)隨著壓強(qiáng)變化的變化趨勢(shì)。BD段小于零的斜率意味著隨著壓強(qiáng)增大，熔點(diǎn)逐漸降低。

水的相圖[7]

我們假設(shè)一名運(yùn)動(dòng)員體重70公斤，來(lái)看看他穿著冰刀站在冰面上時(shí)對(duì)冰面施加的壓強(qiáng)可以讓冰的熔點(diǎn)下降多少。按照刀刃與冰面接觸面積最小的速滑冰刀計(jì)算，一般來(lái)說(shuō)，刀刃前端超出腳尖8~9cm，后端超出腳跟5~6cm[8]。取冰刀刀刃長(zhǎng)度50cm，平均寬度按1.4mm計(jì)算。單腳站立的情況下，運(yùn)動(dòng)員通過(guò)冰刀對(duì)冰面產(chǎn)生的壓強(qiáng)大約10*Pa，也就是10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。代入描述相變的克拉伯龍方程

結(jié)果得到此時(shí)冰的熔點(diǎn)是273.08K，也就是零下0.07℃。而奧運(yùn)會(huì)各種比賽中，冰面溫度一般在-5℃~-7℃。顯然，單純依靠壓強(qiáng)并不會(huì)使冰面融化。

或許有的讀者會(huì)想，冰面上的摩擦力雖然小，但畢竟不是完全不存在。有沒(méi)有可能是摩擦產(chǎn)生的熱量使冰層表面融化成了水膜，又反過(guò)來(lái)減小了冰面摩擦呢？如果你也是這么想的，那么恭喜你做出了與當(dāng)年物理學(xué)家相同的猜想。

在1939年，劍橋大學(xué)的兩位科學(xué)家就猜想，滑冰時(shí)冰刀與冰面的快速摩擦產(chǎn)生的熱量可能是冰面融化形成水膜的主要原因[9]?？上Ш髞?lái)人們證明，摩擦產(chǎn)熱導(dǎo)致的水膜厚度會(huì)明顯小于20μm，而冰面本身的粗糙度就已經(jīng)在幾十到幾百微米了。也就是說(shuō)，摩擦產(chǎn)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(rùn)滑了。

隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，1960年以后，科學(xué)家們逐漸可以對(duì)冰面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行足夠精確的觀察。溫度不太低的時(shí)候，冰層與空氣接觸的表面并不是從規(guī)則排列的水分子突變成空氣，而是存在一個(gè)過(guò)渡層[10,11]。過(guò)渡層內(nèi)部具有逐漸變化的結(jié)構(gòu)，從分子排列整齊的晶態(tài)冰，到冰水混合物，再到完全的液態(tài)水膜。冰水混合物中的微型冰粒通過(guò)范德華力和氫鍵之類的弱作用力連結(jié)，形成了可以貯存液態(tài)水的多孔結(jié)構(gòu)，就像凝膠珠一樣。越靠近空氣，過(guò)渡層中水分子的排列就越加無(wú)序，液態(tài)水就越多，固體冰晶之間的連結(jié)也越弱，甚至在水膜中出現(xiàn)了可以自由活動(dòng)的微型冰碴和冰粒。

冰表面的過(guò)渡層示意[12]

在最新的理論中[12]，水膜里的微型冰碴和冰粒充當(dāng)了軸承滾珠的角色，它們將滑冰時(shí)宏觀上的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒂^上的滾動(dòng)摩擦。冰刀產(chǎn)生的壓強(qiáng)作用在過(guò)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(tài)水。這些水增加了原本水膜的厚度，使?jié)櫥男Ч茫?strong>進(jìn)一步降低了冰面上的摩擦系數(shù)。這樣，冰刀就可以在不直接接觸晶態(tài)冰層的情況下，通過(guò)冰層表面自帶的過(guò)渡層減小阻力，實(shí)現(xiàn)流暢的滑行。

在速度滑冰的比賽中，有時(shí)候一厘米的優(yōu)勢(shì)都會(huì)決定比賽最終的勝負(fù)。運(yùn)動(dòng)員們?cè)缫巡粚p阻潤(rùn)滑的希望完全寄托在冰面本身的性質(zhì)上。一副出色的冰刀就像孫悟空手里的如意金箍棒，是運(yùn)動(dòng)員們獲得比賽勝利的技術(shù)保障。

現(xiàn)在賽場(chǎng)上使用的冰刀，早已不像我們想象的那樣，只是一個(gè)簡(jiǎn)單的鐵片。它的側(cè)面形狀和刀刃設(shè)計(jì)中都有著豐富的力學(xué)原理。就短道速滑冰刀而言，側(cè)面是一個(gè)復(fù)雜的曲線。按照運(yùn)動(dòng)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(guò)渡?；⌒蔚木唧w設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)員的習(xí)慣和動(dòng)作息息相關(guān)，并沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和理論分析。按照現(xiàn)有的一些數(shù)值模擬結(jié)果[13]，曲率半徑在15~20m的擺線形設(shè)計(jì)可能有利于在具體發(fā)力時(shí)降低冰面和冰刀之間的摩擦。

冰刀前中后段的弧形各有不同[14]

冰刀的刃與平常的想象區(qū)別更大，它是一個(gè)槽型的寬刃。刃的剖面是一個(gè)弧形，中間凹陷而兩側(cè)向下突出，形成了兩個(gè)銳角形的側(cè)刃。圓弧形槽面的曲率半徑是一個(gè)相對(duì)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。刀口寬度一定的情況下，曲率半徑?jīng)Q定了槽中心凹陷的深度，也就決定了兩個(gè)側(cè)刃的銳利程度。

槽刃冰刀示意圖[15]

在直道滑行時(shí)，槽刃冰刀與普通單刃冰刀相比的優(yōu)勢(shì)并不特別明顯。但是在通過(guò)彎道時(shí)，運(yùn)動(dòng)員需要冰刀提供水平的向心力，這時(shí)候單刃冰刀就顯得力不能及了。

在高中物理中，我們學(xué)過(guò)向心力的公式

在轉(zhuǎn)彎軌跡半徑和質(zhì)量都基本不變的情況下，如果想高速通過(guò)彎道，就必須有巨大的向心力。相比于呈90°角嵌入冰面的單刃冰刀，槽刃冰刀由于只用槽刃一側(cè)的銳角劈尖接觸冰面，因此可以以更銳利的角度嵌入冰面。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。由于運(yùn)動(dòng)員蹬冰時(shí)，冰刀和冰面之間的壓強(qiáng)基本恒定，所以更大的受力面積就可以承受更大的力。同時(shí)，在運(yùn)動(dòng)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(cè)刃，與單刃冰刀表面相比，表面更加豎直。根據(jù)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(yùn)動(dòng)員在過(guò)彎時(shí)不必減速，更加流暢地完成兩個(gè)直道間的過(guò)渡。

單刃冰刀（左）和槽刃冰刀（右）在轉(zhuǎn)彎蹬冰時(shí)的受力比較[16]

現(xiàn)代的冰刀設(shè)計(jì)的初衷，就是為了讓人們?cè)诒匣酶€(wěn)、更快、更安全。有了現(xiàn)代技術(shù)的加持，小伙伴們不妨做好安全防護(hù)，跟隨著冬奧會(huì)冰墩墩的腳步，一起走上冰場(chǎng)吧~

蕪“虎”起飛~[17]

參考文獻(xiàn)

[1] 新浪微博@人民日?qǐng)?bào)

[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(mèng)晗. 基于水基潤(rùn)滑理論的冰刀減阻影響參數(shù)研究[D].北方工業(yè)大學(xué),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(shù)永.導(dǎo)致冰面極低摩擦系數(shù)的原因:研究進(jìn)展及模型分析[J].大學(xué)化學(xué),2019,34(01):33-38.

[13]周驥. 速滑冰刀的參數(shù)化設(shè)計(jì)及摩擦特性分析[D].吉林大學(xué),2016.

[14] 劉錦程,胡蘭萍.冰刀研磨微細(xì)結(jié)構(gòu)變化對(duì)冰刀性能的影響[J].冰雪運(yùn)動(dòng), 1999(3):72-75.

[15]豆照良,劉峰斌,汪家道.速滑冰刀減阻與高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究[J].冰雪運(yùn)動(dòng),2018,40(04):13-18.

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

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

封面圖來(lái)源：B站@嗶哩嗶哩放映姬

表情包來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

編輯：藏癡