不要阻止我,我要在冰面上“飙车”

作者: 杨锦鸿

来源: 科学大院

发布日期: 2021-11-22

本文探讨了北京冬奥会中冰球运动的高速滑行现象及其背后的物理原理,特别是冰刀与冰面之间的摩擦机制。

2022年2月4日,北京冬奥会将在万众瞩目中拉开帷幕。而北京这座城市,即将成为从夏季走向冬季的“双奥之城”,这在国际奥林匹克运动史上具有独特的意义。

在冬奥会的比赛项目中,冰球称得上是一项身体对抗非常激烈的运动。运动员在冰面上滑行的最快速度大约是14m/s,即50.4km/h。当一方运动员以该速度(14m/s)冲向一个静止的物体,其效果类似于一人从三层楼上跳下,然后撞向地面。如果是两个运动员以同样的速度迎面相撞,伤害加倍。

那么,为什么在冰上滑行速度会这么快呢?压力之下,冰也要“服软”。我们知道水可以大致分为三种状态:固态冰、液态水、水蒸气。水的状态和压力、温度紧密相关。冰的熔点随着压力的升高而降低。当我们对冰面施加一定的压力时,冰可以在0℃以下融化,形成冰泥浆(冰水混合物),进而降低冰面上的摩擦。

通常赛场的冰面温度是-4℃左右,让冰在这个温度下融化需要很大的压强,所以我们下面我们要谈谈冰刀的特殊之处。冰刀和冰接触了,但没完全接触。虽然不同运动中冰刀的形状有所不同,但它们的共同特点是,在滑行过程中都依靠锋利刀刃和冰面接触。而这,降低了冰刀和和冰面的接触面积,使得冰面和刀刃接触的面积上承受很大的压强。

冰刀和冰面之间形成高压区(High-Pressure Zone),高压区内冰液化,并与破碎的冰颗粒混合成泥浆,从而极大降低冰刀和冰面之间的摩擦。普通钢片和冰之间的摩擦系数是0.014~0.027之间,而冰刀和冰面之间的摩擦系数是0.0042~0.0072。由于同样的压力下,摩擦力正比于摩擦系数,所以我们可以看出,冰刀在滑行时受到的摩擦力远小于普通钢片。

冰刀和冰面之间的自润滑机制是一个百年难题,目前仍然没有完整的解释。压力融化是普遍认可的一种解释,其他机制也可能在冰的摩擦中发挥重要作用,例如摩擦加热、准液体表面膜、磨损等等。因此,运动员在赛场上的优异表现与其背后力学问题的解决息息相关。

UUID: caf9dd0f-208f-4d40-bbe9-a2f89e329248

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/科学大院公众号-pdf2txt/2021年/2021-11-22_不要阻止我,我要在冰面上“飙车”.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0037 元