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中國首金!冰刀在冰面上最高時速50 公裏,為何在玻璃上寸步難行?


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更新日期:2022513
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中國首金!

在北京冬奧會短道速滑2000米混合接力決賽中,中國隊奪得金牌!恭喜中國短道速滑運動員曲春雨、範可新、武大靖、任子威!

中國在短道速滑比賽上,素有“夢之隊”的美名,在歷屆冬奧會上,短道速滑都是我國的奪金項目,在歷屆冬奧會上我國累計獲得13枚金牌,其中在短道速滑斬獲了10金15銀8銅,占比達到了80%以上。

盡管如此,我國在短道速滑上仍舊有太多勁敵,其中韓國就是我國最大的勁敵,在4年前平昌冬奧會上,韓國利用東道主優勢,判中國隊8次犯規,但韓國只有2次,最後使得武大靖以 “裁判挑不出任何毛病”的方式,獲得了平昌冬奧會上短道速滑的唯一一塊金牌,同時也是我國在此次冬奧會上的唯一一塊金牌。

在短道速滑比賽當中,在沒有任何約束和牽絆的情況之下,運動員們的最快滑行速度可以達到50公裏/小時,這是什麼概念?

博爾特所處創造的男子百米世界紀錄是9.58秒,平均速度就是37.578公裏/時,其中,跑得最快的是在在60~80米階段,僅用時1.61秒,速度達到了44.722公裏/時。也就是說,短道速滑運動員們的最快滑行速度要比博爾特的最快速度還要快。

那麼問題來了,為什麼用“冰刀”在冰面上滑行就可以這麼快?而同樣用“冰刀”卻無法在玻璃、水泥地或者鋼板上滑行?

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冰刀為何在冰面上遊刃有餘?

一般來說,我們常說的冰刀大概只可以分為三大類:冰球冰刀、花樣冰刀、速滑冰刀。其中,速滑冰刀又可以分為:大道速滑冰刀和短道速度冰刀。這幾款冰刀雖然有些許不同,但是在滑行時,蹬冰原理是差不多的。

我們以短跑道速滑冰刀為例,這種冰刀的刀體短,刀刃弧度大,和冰面接觸面積相對小,轉彎半徑也小,刀體的厚度大概是1.4毫米(±0.1毫米),這裏多說一句,花樣冰刀是最厚的,達到了3.5毫米,這主要是為了幫助運動員能夠更加穩定地在冰面上做動作。

我們都知道,當運動物體與地面發生相對運動時,摩擦力會起到阻礙運動的作用。因此,如果想要持續相對運動,除了需要穩定的動力輸出之外,還要盡可能地減少摩擦力。

冰刀無論是在冰面、玻璃、水泥地或者鋼板上滑行,都會有摩擦力。不過,以前有一種說法是:

在冰刀與冰面之間的接觸面上,會對冰面造成了巨大的壓強,這使得冰的熔點下降。於是,賽道的表面會形成一層水膜,這也被稱為:表面熔化現象。這層水膜減小了冰刀與賽道冰面的摩擦力。所以,運動員可以在冰面上很好地滑行。

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而玻璃、水泥和鋼板的熔點非常高,壓強不足以使得這些物質的熔點降低到在常溫下可以融化的程度。所以,就沒辦法形成類似於“水膜”的表面,也就無法減低摩擦力。因此,冰刀也就無法在這玻璃、水泥和鋼板上滑行。

不過,後來也有人通過研究就發現,在賽場冰面的溫度下,單純地依靠壓強,並不能造成表面熔化現象。那麼問題來了,如果壓強不能造成“水膜”,那是什麼造成的?

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也有人猜測可能是因為運動員在滑行過程中,冰刀和冰面發生摩擦,導致出現了表面熔化現象。後來經過驗證發現,這也不是主要原因。那究竟是怎麼回事呢?

科學家對賽道表面進行了更為微觀的觀察。結果,他們就發現冰面的最上面有一層過渡層,在過渡層中,物質的微觀結構也不是一模一樣的,而是漸變的,依次是冰的晶體,冰和水的混合物,液態水膜。

真正起到作用的是水膜中具有流動性的“水分子”,或者也可以理解成“可移動的冰”,也可以簡單粗暴地理解成冰碴或者冰粒。

雖然從宏觀角度,滑冰是滑動摩擦,但是從微觀世界來看,這些冰碴和冰粒就好像在冰面鋪了一層“滾動的圓木”一樣,把滑動摩擦轉化成了滾動摩擦,從實現了摩擦力的降低。不僅如此,過渡層中的“冰和水的混合物”因為壓強的原因,還能進一步釋放出液態水,起到潤滑的作用,間接起到降低摩擦力的作用。

滑冰的整個滑動的過程都是在過渡層中完成的,完全與過渡層下的晶體冰完全分隔開,恰好過渡層又可以有效降低摩擦力,而玻璃、水泥地或者鋼板並無法形成這樣的過渡層,這才使得冰刀只有在冰面上遊刃有餘。

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