作者:Lance 時間:2022-11-08 來源:互聯(lián)網(wǎng)
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速度滑冰是冬奧會*激動人心的比賽項目之一,運動員腳蹬冰刀在光滑如鏡的冰面上風馳電掣,真是刺激又過癮。你知道嗎?短道速滑男子500米的世界紀錄是由中國選手保持的,2018年武大靖在平昌冬奧會上以39秒584的成績奪魁,平均速度達到12.63米/秒(45.47公里/小時),比博爾特10.438米/秒的100米跑紀錄高出一截。
武大靖一騎絕塵奪冠
為什么滑冰運動員能這么快?這一方面取決于他們強壯的身體與**的技術,同時也跟他們腳下那一對冰刀有關。
我們聽到過一種說法:速滑選手用的冰刀非常鋒利,冰刀與冰面接觸面積小、壓強大,刀鋒與冰之間產(chǎn)生水膜,于是阻力降到*小。奧運選手的冰刀究竟有多鋒利?大多數(shù)人都沒真實見過,有人說你能拿它來切肉!
速度滑冰冰刀很鋒利嗎?
真是這樣嗎?并不完全對。
學過中學物理的朋友大多還記得鋼鐵與冰之間的摩擦系數(shù)在0.027~0.014之間,但冰為什么滑,科學界卻一直有不同的理解。
有人認為對冰面施加壓力會導致冰的熔點降低,實驗表明當冰面的壓強達4.72×10^7 Pa時,冰的熔點可以降低到-3.5 ℃,問題在于絕大多數(shù)速度滑冰運動員對冰面的壓強都小于9.8×10^5 Pa,依據(jù)克拉佩龍方程,運動員*多只能使冰刀接觸面的關溫度上升0.07 ℃,北京冬奧會國家速滑館冰面的溫度在-6 ℃~-10.5 ℃之間,冰刀產(chǎn)生的壓力不足以使冰面熔融。
國家速滑館冰面的溫度大約為-6 ℃
當冰刀與冰面快速摩擦,由之產(chǎn)生的熱能會不會因為加熱冰面而產(chǎn)生水膜呢?
有科學家通過實驗和計算得出結論,當一名體重60公斤的運動員穿著寬度為1.5毫米的冰刀在冰面高速滑行時,其摩擦熱產(chǎn)生的水膜遠小于23微米,這么薄的水層不足以讓冰變得更滑。
另一種相對更合理卻又突破大家想象力的解釋是:冰的表面原本就有一層水,只要冰的溫度高于-36 ℃,它的*表層就天然存在水膜,水膜的厚度在1~100納米之間,也就是幾十到上千層水分子的厚度。1987年的核磁共振實驗發(fā)現(xiàn)-20 ℃~0 ℃之間冰的表面存在一個介于液態(tài)水與冰之間形態(tài)的薄層,其水分子的轉動頻率是冰的10萬倍,是水的1/25。
近年來中國科學家在大量實驗的基礎上提出一個新模型:-36 ℃以上的冰從內(nèi)到外由結晶冰層、無定形冰晶層、冰水混合物層和液態(tài)水層共4層構成,這才是冰滑的真正原因。
當冰刀在冰面滑動時,冰表面類似于凝膠狀態(tài)的冰水混合物層被壓實,混合物里的水因“離漿現(xiàn)象”析出,過渡層中的冰粒沿著冰刀運動的方向滾動,下方被壓實的部分填補了結晶冰層的缺陷,使得冰刀運動更加順滑。
**速度滑冰選手腳下冰刀的厚度大約為1.1毫米,冰刀與冰的接觸面不會像切菜刀那樣“開刃”,而是保證兩面90°直角。
相信你不會愿意拿速度滑冰的冰刀來切肉,這就跟你用菜刀的刀背切肉一樣,相當累人。
速度滑冰鞋與其它冰鞋不同
與速度滑冰不同,花樣滑冰和冰球運動員穿的冰鞋更加結實,刀刃厚度通常超過3.5毫米。因為這兩項運動都要求運動員做各種復雜的動作,突然起動停止、強烈的沖擊以及高速旋轉需要刀片承受更大的橫向作用力和扭曲,刀刃太薄容易折斷。
花樣滑冰和冰球運動員不要求太高的滑行速度,相反,他們時常需要利用摩擦阻力來改變運動姿態(tài),所以他們的冰刀中間會被打磨出一個圓弧形凹槽,以在兩邊形成尖銳的刀刃。
當冰球運動員急停轉身時,冰刀側面猛力蹬冰,刀刃穿過無定形冰層切入到更加堅硬的結晶冰層里,從而獲得更大的阻力。
花樣滑冰的冰刀前端有一些鋸齒,這主要是方便運動員以腳尖為支點高速旋轉,它的刀刃角度也比速滑冰鞋更小更鋒利,我們能用花滑冰鞋來切菜嗎?
如果你是一個花滑迷,一定會注意到這樣的鏡頭:女運動員將冰刀踩在男選手的大腿上,兩人忘情地翩翩起舞,而男選手并沒有受傷。
盡管花滑冰刀的刀刃比較鋒利,但由于冰刀比較厚,女運動員的體重相對較輕,踩到腿上的壓強小,男選手還算吃得消。
花滑冰刀底部有凹槽
短道速滑運動員在出發(fā)線時需要降低身體重心,一只腳保持向前,另一只腳要將冰刀橫過來,保證用*長的刀刃來蹬冰;發(fā)令槍響,運動員全力蹬冰向前,刀刃平推冰面,另一只腳則在冰面以*小的摩擦阻力滑行,如此反復交替;進入彎道時,運動員需要將身體盡量向內(nèi)側傾斜,兩個冰刀輪番提供向心力,避免選手滑出賽道;到了直道再次蹬冰加速。
速滑運動員需要經(jīng)常打磨冰刀,運動隊通常配備專業(yè)的鞋匠來保證冰刀底面比鏡子還光滑,兩側90°刀刃一點兒毛刺都不能有,一切都為了蹬冰的力度*大、在冰面的滑動阻力*小。
這樣的冰刀切不動肉,但它的危險性一點都不低。滑冰選手的速度是如此之快,一旦他們摔出賽道,1.1毫米厚的刀片能在強大沖擊力下瞬間切開皮膚,割斷血管和肌腱,給運動員造成巨大創(chuàng)傷。因此速度滑冰(特別是短道速滑)有非常嚴厲的規(guī)則,比賽服裝具有一定的防切割作用,運動員也會格外注意不要讓自己摔倒以避免受傷。
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