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摔倒会被抹脖子?冬奥会速度滑冰运动员脚下的冰刀有多锋利?

速度滑冰冬奥会最激动人心的比赛项目之一,运动员脚蹬冰刀在光滑如镜的冰面上风驰电掣,真是刺激又过瘾。但也有朋友总担心那些冰刀,觉得太危险。

你知道吗?短道速滑男子500米的世界纪录是由中国选手保持的,2018年武大靖在平昌冬奥会上以39秒584的成绩夺魁,平均速度达到12.63米/秒(45.47公里/小时),比博尔特10.438米/秒的100米跑纪录高出一截。

武大靖一骑绝尘夺冠

为什么滑冰运动员能这么快?这一方面取决于他们强壮的身体与卓越的技术,同时也跟他们脚下那一对冰刀有关。

我们听到过一种说法:速滑选手用的冰刀非常锋利,冰刀与冰面接触面积小、压强大,刀锋与冰之间产生水膜,于是阻力降到最小。奥运选手的冰刀究竟有多锋利?大多数人都没真实见过,有人说你能拿它来切肉!

速度滑冰冰刀很锋利吗?

真是这样吗?并不完全对。

学过中学物理的朋友大多还记得钢铁与冰之间的摩擦系数在0.027~0.014之间,但冰为什么滑,科学界却一直有不同的理解。

有人认为对冰面施加压力会导致冰的熔点降低,实验表明当冰面的压强达4.72×10^7 Pa时,冰的熔点可以降低到-3.5 ℃,问题在于绝大多数速度滑冰运动员对冰面的压强都小于9.8×10^5 Pa。依据克拉佩龙方程,运动员最多只能使冰刀接触面冰的温度上升0.07 ℃,北京冬奥会国家速滑馆冰面的温度在-6 ℃~-10.5 ℃之间,冰刀产生的压力不足以使冰面熔融。

国家速滑馆冰面的温度大约为-6 ℃

当冰刀与冰面快速摩擦,由之产生的热能会不会因为加热冰面而产生水膜呢?

有科学家通过实验和计算得出结论,当一名体重60公斤的运动员穿着宽度为1.5毫米的冰刀在冰面高速滑行时,其摩擦热产生的水膜远小于23微米,这么薄的水层不足以让冰变得更滑。

另一种相对更合理却又突破大家想象力的解释是:冰的表面原本就有一层水,只要冰的温度高于-36 ℃,它的最表层就天然存在水膜,水膜的厚度在1~100纳米之间,也就是几十到上千层水分子的厚度。1987年的核磁共振实验发现-20 ℃~0 ℃之间冰的表面存在一个介于液态水与冰之间形态的薄层,其水分子的转动频率是冰的10万倍,是水的1/25。

冰面很滑

近年来中国科学家在大量实验的基础上提出一个新模型:-36 ℃以上的冰从内到外由结晶冰层、无定形冰晶层、冰水混合物层和液态水层共4层构成,这才是冰滑的真正原因。

当冰刀在冰面滑动时,冰表面类似于凝胶状态的冰水混合物层被压实,混合物里的水因“离浆现象”析出,过渡层中的冰粒沿着冰刀运动的方向滚动,下方被压实的部分填补了结晶冰层的缺陷,使得冰刀运动更加顺滑。

速滑运动员蹬冰转弯

顶尖速度滑冰选手脚下冰刀的厚度大约为1.1毫米,冰刀与冰的接触面不会像切菜刀那样“开刃”,而是保证两面90°直角。

相信你不会愿意拿速度滑冰的冰刀来切肉,这就跟你用菜刀的刀背切肉一样,相当累人。

速度滑冰鞋与其它冰鞋不同

与速度滑冰不同,花样滑冰和冰球运动员穿的冰鞋更加结实,刀刃厚度通常超过3.5毫米。因为这两项运动都要求运动员做各种复杂的动作,突然起动停止、强烈的冲击以及高速旋转需要刀片承受更大的横向作用力和扭曲,刀刃太薄容易折断。

花样滑冰和冰球运动员不要求太高的滑行速度,相反,他们时常需要利用摩擦阻力来改变运动姿态,所以他们的冰刀中间会被打磨出一个圆弧形凹槽,以在两边形成尖锐的刀刃。

当冰球运动员急停转身时,冰刀侧面猛力蹬冰,刀刃穿过无定形冰层切入到更加坚硬的结晶冰层里,从而获得更大的阻力。

花样滑冰的冰刀前端有一些锯齿,这主要是方便运动员以脚尖为支点高速旋转,它的刀刃角度也比速滑冰鞋更小更锋利,我们能用花滑冰鞋来切菜吗?

如果你是一个花滑迷,一定会注意到这样的镜头:女运动员将冰刀踩在男选手的大腿上,两人忘情地翩翩起舞,而男选手并没有受伤。

尽管花滑冰刀的刀刃比较锋利,但由于冰刀比较厚,女运动员的体重相对较轻,踩到腿上的压强小,男选手还算吃得消。

花滑冰刀底部有凹槽

短道速滑运动员在出发线时需要降低身体重心,一只脚保持向前,另一只脚要将冰刀横过来,保证用最长的刀刃来蹬冰;发令枪响,运动员全力蹬冰向前,刀刃平推冰面,另一只脚则在冰面以最小的摩擦阻力滑行,如此反复交替;进入弯道时,运动员需要将身体尽量向内侧倾斜,两个冰刀轮番提供向心力,避免选手滑出赛道;到了直道再次蹬冰加速。

速滑运动员需要经常打磨冰刀,运动队通常配备专业的鞋匠来保证冰刀底面比镜子还光滑,两侧90°刀刃一点儿毛刺都不能有,一切都为了蹬冰的力度最大、在冰面的滑动阻力最小。

速滑运动员很容易摔倒受伤

这样的冰刀切不动肉,但它的危险性一点都不低。滑冰选手的速度是如此之快,一旦他们摔出赛道,1.1毫米厚的刀片能在强大冲击力下瞬间切开皮肤,割断血管和肌腱,给运动员造成巨大创伤。因此速度滑冰(特别是短道速滑)有非常严厉的规则,比赛服装具有一定的防切割作用,运动员也会格外注意不要让自己摔倒以避免受伤。