短道速滑为什么能“纵享丝滑”？

来源：中科院物理所

本届冬奥会共设109个比赛项目

分冰上项目和雪上项目

像之前拿下开门红的冰壶

体力与智力交辉[1]

美轮美奂的花样滑冰

翩若惊鸿，婉若游龙[2]

 

和中国队传统优势短道速滑

王濛：你们是来争第二的吧[3]

就都是冰上项目。

为什么王濛踩着冰刀就可以飞驰电掣？

怎么才能滑得更快更稳？

官方吐槽，最为致命[4]

我们平常说的冰刀分为三种，包括速滑冰刀、花样冰刀和冰球冰刀，顾名思义，分别用于速度滑冰（包括短道速滑）、花样滑冰和冰球。按照不同运动的不同需求，不同种类冰刀的形状、重量乃至构造都有区别。具体而言，速滑冰刀的刀刃最窄，只有大约1.4mm，相比而言，最宽的花样冰刀刀刃有3.5mm厚，可以支持运动员在冰面上稳定地做出各种复杂的动作。

数不清转了多少圈的羽生结弦[5]

冰刀的刃可以嵌入冰面，避免在垂直刃的方向上发生我们不想要的滑动。在沿着冰刀刃的方向又可以保持很小的摩擦力。有了冰刀的帮助，运动员就可以在冰面上自如地滑行，而不会动不动来一段冰上街舞了。

这！就是街舞[6]

那么，为什么冰刀和冰面之间的摩擦力这么小呢？一种常见的说法是，冰刀与冰面之间极小的接触面积造成了非常大的压强，这一压强使冰的熔点下降，在表面形成了一层水膜。正是这层水膜减小了冰刀与冰面之间的摩擦力。但是，我们在两年前的一篇推送（冰：最近感觉压力有点大|正经玩）里发出了灵魂一问：冰刀施加的压强到底能使熔点下降多少？真的可以使冰融化吗？

在水的相图中，固液分界线BD段描述了冰熔点随着压强变化的变化趋势。BD段小于零的斜率意味着随着压强增大，熔点逐渐降低。

水的相图[7]

我们假设一名运动员体重70公斤，来看看他穿着冰刀站在冰面上时对冰面施加的压强可以让冰的熔点下降多少。按照刀刃与冰面接触面积最小的速滑冰刀计算，一般来说，刀刃前端超出脚尖8~9cm，后端超出脚跟5~6cm[8]。取冰刀刀刃长度50cm，平均宽度按1.4mm计算。单脚站立的情况下，运动员通过冰刀对冰面产生的压强大约10⁶Pa，也就是10个标准大气压。代入描述相变的克拉伯龙方程

结果得到此时冰的熔点是273.08K，也就是零下0.07℃。而奥运会各种比赛中，冰面温度一般在-5℃~-7℃。显然，单纯依靠压强并不会使冰面融化。

或许有的读者会想，冰面上的摩擦力虽然小，但毕竟不是完全不存在。有没有可能是摩擦产生的热量使冰层表面融化成了水膜，又反过来减小了冰面摩擦呢？如果你也是这么想的，那么恭喜你做出了与当年物理学家相同的猜想。

在1939年，剑桥大学的两位科学家就猜想，滑冰时冰刀与冰面的快速摩擦产生的热量可能是冰面融化形成水膜的主要原因[9]。可惜后来人们证明，摩擦产热导致的水膜厚度会明显小于20μm，而冰面本身的粗糙度就已经在几十到几百微米了。也就是说，摩擦产生的水膜甚至不能填满冰层表面的“小水坑”，也就更不能提供有效的润滑了。

随着实验技术的发展，1960年以后，科学家们逐渐可以对冰面的微观结构进行足够精确的观察。温度不太低的时候，冰层与空气接触的表面并不是从规则排列的水分子突变成空气，而是存在一个过渡层[10,11]。过渡层内部具有逐渐变化的结构，从分子排列整齐的晶态冰，到冰水混合物，再到完全的液态水膜。冰水混合物中的微型冰粒通过范德华力和氢键之类的弱作用力连结，形成了可以贮存液态水的多孔结构，就像凝胶珠一样。越靠近空气，过渡层中水分子的排列就越加无序，液态水就越多，固体冰晶之间的连结也越弱，甚至在水膜中出现了可以自由活动的微型冰碴和冰粒。

冰表面的过渡层示意[12]

在最新的理论中[12]，水膜里的微型冰碴和冰粒充当了轴承滚珠的角色，它们将滑冰时宏观上的滑动摩擦转变为微观上的滚动摩擦。冰刀产生的压强作用在过渡层中半熔化的冰水混合物上，这些冰水混合物像被捏爆的凝胶珠一样释放出液态水。这些水增加了原本水膜的厚度，使润滑的效果更好，进一步降低了冰面上的摩擦系数。这样，冰刀就可以在不直接接触晶态冰层的情况下，通过冰层表面自带的过渡层减小阻力，实现流畅的滑行。

在速度滑冰的比赛中，有时候一厘米的优势都会决定比赛最终的胜负。运动员们早已不将减阻润滑的希望完全寄托在冰面本身的性质上。一副出色的冰刀就像孙悟空手里的如意金箍棒，是运动员们获得比赛胜利的技术保障。

现在赛场上使用的冰刀，早已不像我们想象的那样，只是一个简单的铁片。它的侧面形状和刀刃设计中都有着丰富的力学原理。就短道速滑冰刀而言，侧面是一个复杂的曲线。按照运动员的不同喜好，这一曲线可以由一段或者几段曲率半径很大的弧形组成。这些弧形的曲率可以彼此不同，但要在交界处平滑地过渡。弧形的具体设计和运动员的习惯和动作息息相关，并没有统一的设计标准和理论分析。按照现有的一些数值模拟结果[13]，曲率半径在15~20m的摆线形设计可能有利于在具体发力时降低冰面和冰刀之间的摩擦。

冰刀前中后段的弧形各有不同[14]

冰刀的刃与平常的想象区别更大，它是一个槽型的宽刃。刃的剖面是一个弧形，中间凹陷而两侧向下突出，形成了两个锐角形的侧刃。圆弧形槽面的曲率半径是一个相对重要的设计参数。刀口宽度一定的情况下，曲率半径决定了槽中心凹陷的深度，也就决定了两个侧刃的锐利程度。

槽刃冰刀示意图[15]

在直道滑行时，槽刃冰刀与普通单刃冰刀相比的优势并不特别明显。但是在通过弯道时，运动员需要冰刀提供水平的向心力，这时候单刃冰刀就显得力不能及了。

在高中物理中，我们学过向心力的公式

在转弯轨迹半径和质量都基本不变的情况下，如果想高速通过弯道，就必须有巨大的向心力。相比于呈90°角嵌入冰面的单刃冰刀，槽刃冰刀由于只用槽刃一侧的锐角劈尖接触冰面，因此可以以更锐利的角度嵌入冰面。在同样的劈背正压力作用下，槽刃冰刀嵌入冰面的深度更大，可以提供比单刃冰刀更大的受力面积。由于运动员蹬冰时，冰刀和冰面之间的压强基本恒定，所以更大的受力面积就可以承受更大的力。同时，在运动员身体倾斜角度θ保持不变的情况下，槽刃冰刀嵌入冰面的侧刃，与单刃冰刀表面相比，表面更加竖直。根据力的矢量分解原则，合力的水平分力更大。这些因素都保证了槽刃冰刀在水平方向上可以提供比单刃冰刀更大的向心力。因此，使用槽刃冰刀可以使运动员在过弯时不必减速，更加流畅地完成两个直道间的过渡。

单刃冰刀（左）和槽刃冰刀（右）在转弯蹬冰时的受力比较[16]

现代的冰刀设计的初衷，就是为了让人们在冰上滑得更稳、更快、更安全。有了现代技术的加持，小伙伴们不妨做好安全防护，跟随着冬奥会冰墩墩的脚步，一起走上冰场吧~

芜“虎”起飞~[17]

参考文献

[1] 新浪微博@人民日报

[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]李梦晗. 基于水基润滑理论的冰刀减阻影响参数研究[D].北方工业大学,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]王广振,王文亮,高欣,张树永.导致冰面极低摩擦系数的原因:研究进展及模型分析[J].大学化学,2019,34(01):33-38.

[13]周骥. 速滑冰刀的参数化设计及摩擦特性分析[D].吉林大学,2016.

[14] 刘锦程,胡兰萍.冰刀研磨微细结构变化对冰刀性能的影响[J].冰雪运动, 1999(3):72-75.

[15]豆照良,刘峰斌,汪家道.速滑冰刀减阻与高效驱动技术研究[J].冰雪运动,2018,40(04):13-18.

[16]刘锋,关汝华.短道速滑使用槽刃冰刀的理论初探[J].体育学刊,2013,20(03):108-111.

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

封面图来源：B站@哔哩哔哩放映姬

表情包来源于网络

编辑：藏痴

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编辑：六块钱的鱼