北京冬奧會昨晚開幕，各項賽事也全面展開。

從今晚開始，短道速滑混合團體接力的1/4決賽、半決賽及金牌賽将相繼舉行。短道速滑一直是中國隊在冬奧會上的奪金大項，今年，北京冬奧會新增了短道速滑混合團體接力項目。

是否想過，短道速滑為什麼能“縱享絲滑”？各種高速運動比賽中，選手們之間的差距可能隻有零點零幾秒，裁判員又是怎麼計時的？

從科技的角度，一起來了解下滑冰項目，有助于更好地觀看比賽哦~

文 | 藏癡

本文轉載自微信公衆号“中科院物理所”（ID：cas-iop），原文首發于2022年2月3日，原标題為《短道速滑為什麼能“縱享絲滑”？》，不代表瞭望智庫觀點。

本屆冬奧會共設109個比賽項目

分冰上項目和雪上項目

像體力與智力交輝的冰壺

美輪美奂的花樣滑冰

和中國隊傳統優勢短道速滑

就都是冰上項目。

為什麼踩着冰刀就可以飛馳電掣？

怎麼才能滑得更快更穩？

我們平常說的冰刀分為三種，包括速滑冰刀、花樣冰刀和冰球冰刀，顧名思義，分别用于速度滑冰（包括短道速滑）、花樣滑冰和冰球。

按照不同運動的不同需求，不同種類冰刀的形狀、重量乃至構造都有區别。具體而言，速滑冰刀的刀刃最窄，隻有大約1.4mm，相比而言，最寬的花樣冰刀刀刃有3.5mm厚，可以支持運動員在冰面上穩定地做出各種複雜的動作。

數不清轉了多少圈的羽生結弦

冰刀的刃可以嵌入冰面，避免在垂直刃的方向上發生我們不想要的滑動。在沿着冰刀刃的方向又可以保持很小的摩擦力。有了冰刀的幫助，運動員就可以在冰面上自如地滑行，而不會動不動來一段冰上街舞了。

這！就是街舞

那麼，為什麼冰刀和冰面之間的摩擦力這麼小呢？一種常見的說法是，冰刀與冰面之間極小的接觸面積造成了非常大的壓強，這一壓強使冰的熔點下降，在表面形成了一層水膜。正是這層水膜減小了冰刀與冰面之間的摩擦力。但是，冰刀施加的壓強到底能使熔點下降多少？真的可以使冰融化嗎？

在水的相圖中，固液分界線BD段描述了冰熔點随着壓強變化的變化趨勢。BD段小于零的斜率意味着随着壓強增大，熔點逐漸降低。

水的相圖

我們假設一名運動員體重70公斤，來看看他穿着冰刀站在冰面上時對冰面施加的壓強可以讓冰的熔點下降多少。按照刀刃與冰面接觸面積最小的速滑冰刀計算，一般來說，刀刃前端超出腳尖8~9cm，後端超出腳跟5~6cm。

取冰刀刀刃長度50cm，平均寬度按1.4mm計算。單腳站立的情況下，運動員通過冰刀對冰面産生的壓強大約10⁶Pa，也就是10個标準大氣壓。代入描述相變的克拉伯龍方程

結果得到此時冰的熔點是273.08K，也就是零下0.07℃。而奧運會各種比賽中，冰面溫度一般在-5℃~-7℃。顯然，單純依靠壓強并不會使冰面融化。

或許有的讀者會想，冰面上的摩擦力雖然小，但畢竟不是完全不存在。有沒有可能是摩擦産生的熱量使冰層表面融化成了水膜，又反過來減小了冰面摩擦呢？如果你也是這麼想的，那麼恭喜你做出了與當年物理學家相同的猜想。

在1939年，劍橋大學的兩位科學家就猜想，滑冰時冰刀與冰面的快速摩擦産生的熱量可能是冰面融化形成水膜的主要原因。可惜後來人們證明，摩擦産熱導緻的水膜厚度會明顯小于20μm，而冰面本身的粗糙度就已經在幾十到幾百微米了。也就是說，摩擦産生的水膜甚至不能填滿冰層表面的“小水坑”，也就更不能提供有效的潤滑了。

随着實驗技術的發展，1960年以後，科學家們逐漸可以對冰面的微觀結構進行足夠精确的觀察。溫度不太低的時候，冰層與空氣接觸的表面并不是從規則排列的水分子突變成空氣，而是存在一個過渡層。過渡層内部具有逐漸變化的結構，從分子排列整齊的晶态冰，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過範德華力和氫鍵之類的弱作用力連結，形成了可以貯存液态水的多孔結構，就像凝膠珠一樣。越靠近空氣，過渡層中水分子的排列就越加無序，液态水就越多，固體冰晶之間的連結也越弱，甚至在水膜中出現了可以自由活動的微型冰碴和冰粒。

冰表面的過渡層示意

在最新的理論中，水膜裡的微型冰碴和冰粒充當了軸承滾珠的角色，它們将滑冰時宏觀上的滑動摩擦轉變為微觀上的滾動摩擦。冰刀産生的壓強作用在過渡層中半熔化的冰水混合物上，這些冰水混合物像被捏爆的凝膠珠一樣釋放出液态水。這些水增加了原本水膜的厚度，使潤滑的效果更好，進一步降低了冰面上的摩擦系數。這樣，冰刀就可以在不直接接觸晶态冰層的情況下，通過冰層表面自帶的過渡層減小阻力，實現流暢的滑行。

在速度滑冰的比賽中，有時候一厘米的優勢都會決定比賽最終的勝負。運動員們早已不将減阻潤滑的希望完全寄托在冰面本身的性質上。一副出色的冰刀就像孫悟空手裡的如意金箍棒，是運動員們獲得比賽勝利的技術保障。

現在賽場上使用的冰刀，早已不像我們想象的那樣，隻是一個簡單的鐵片。它的側面形狀和刀刃設計中都有着豐富的力學原理。就短道速滑冰刀而言，側面是一個複雜的曲線。按照運動員的不同喜好，這一曲線可以由一段或者幾段曲率半徑很大的弧形組成。這些弧形的曲率可以彼此不同，但要在交界處平滑地過渡。弧形的具體設計和運動員的習慣和動作息息相關，并沒有統一的設計标準和理論分析。按照現有的一些數值模拟結果，曲率半徑在15~20m的擺線形設計可能有利于在具體發力時降低冰面和冰刀之間的摩擦。

冰刀前中後段的弧形各有不同

冰刀的刃與平常的想象區别更大，它是一個槽型的寬刃。刃的剖面是一個弧形，中間凹陷而兩側向下突出，形成了兩個銳角形的側刃。圓弧形槽面的曲率半徑是一個相對重要的設計參數。刀口寬度一定的情況下，曲率半徑決定了槽中心凹陷的深度，也就決定了兩個側刃的銳利程度。

槽刃冰刀示意圖

在直道滑行時，槽刃冰刀與普通單刃冰刀相比的優勢并不特别明顯。但是在通過彎道時，運動員需要冰刀提供水平的向心力，這時候單刃冰刀就顯得力不能及了。

在高中物理中，我們學過向心力的公式

在轉彎軌迹半徑和質量都基本不變的情況下，如果想高速通過彎道，就必須有巨大的向心力。相比于呈90°角嵌入冰面的單刃冰刀，槽刃冰刀由于隻用槽刃一側的銳角劈尖接觸冰面，因此可以以更銳利的角度嵌入冰面。

在同樣的劈背正壓力作用下，槽刃冰刀嵌入冰面的深度更大，可以提供比單刃冰刀更大的受力面積。由于運動員蹬冰時，冰刀和冰面之間的壓強基本恒定，所以更大的受力面積就可以承受更大的力。

同時，在運動員身體傾斜角度θ保持不變的情況下，槽刃冰刀嵌入冰面的側刃，與單刃冰刀表面相比，表面更加豎直。根據力的矢量分解原則，合力的水平分力更大。這些因素都保證了槽刃冰刀在水平方向上可以提供比單刃冰刀更大的向心力。因此，使用槽刃冰刀可以使運動員在過彎時不必減速，更加流暢地完成兩個直道間的過渡。

單刃冰刀（左）和槽刃冰刀（右）在轉彎蹬冰時的受力比較

現代的冰刀設計的初衷，就是為了讓人們在冰上滑得更穩、更快、更安全。有了現代技術的加持，小夥伴們不妨做好安全防護，一起走上冰場吧~

延伸閱讀：

問問大家，你們覺得體育比賽的魅力在哪裡呢？

是運動員在賽場上的頑強拼搏？還是團隊在逆境時的永不放棄？當然，這些都是體育比賽的魅力所在。

大家有沒有想過，在這些比賽中，尤其是各種高速運動，選手們之間的差距可能隻有零點零幾秒，裁判員都是怎麼計時的？

文 | 陳江 陳琳 中國科學院國家授時中心

本文轉載自微信公衆号“科學大院”（ID：kexuedayuan），原文首發于2022年2月4日，原标題為《精确、精确、再精确！冬奧選手成績怎麼記錄的？》，不代表瞭望智庫觀點。

1 世界上最快的運動是？

要說到世界上最快的運動，在冬奧會的各項比賽中，咱可以說速度滑冰是最刺激的比賽。《國家地理》曾這樣描述：速度滑冰是在不借助外力的情況下，世界上最快的運動。在高速滑行中，速度滑冰運動員的速度可以達到60km/h，這已經趕上在一些省道上開車的最高限速了。

對冬奧會比賽項目熟悉的朋友可能會說，那高山滑雪運動員的速度不比這快？更何況還有雪車比賽。這兩，哪個速度不都超過了速度滑冰。速度滑冰怎麼敢号稱是世界上最快的運動呢？

别急~你說的其實也沒錯，他們速度是快，可是高山滑雪它借助了勢能，運動員從山上往下滑，高度越高，速度肯定就越快，而速度滑冰是在水平的冰面上進行的。雪車比賽那更不用說了，雖說它的速度可以達到160公裡km/h，但它不僅借助了勢能和滑道優勢，還借助了器械。而在速度滑冰的比賽中，運動員隻能借助一雙冰刀靠人力在水平的冰面比拼。

既然是世界上最快速度的比賽，那麼想要準确地判斷運動員誰“更快”，可想而知是一件多麼困難的事情。直到上世紀中葉，軍備競賽催生出了計時的電子時代，運動賽事計時革命迎來了新的轉點。但早期的電子計時精确度并不夠高，還不足以滿足奧運會這種失之毫秒，差之千裡的大型比賽，那麼到底是什麼高科技出現到了我們的冬奧賽場上呢？

那就是異頻雷達！

2 異頻雷達是什麼？

雷達相信大家都很熟悉了，就是我們人類根據蝙蝠特性所發明的一項技術。它最重要的一個功能就是追蹤飛機的方位。早期的雷達也叫”初級雷達“，它發射的電磁波的射束形狀為扇行，這種射束水平方向較窄，垂直方向較寬，可以探測高空飛行的飛機。一般用2到3秒掃描一圈後會在一個圓形的顯示器上顯示回波位置。電影裡最常看到就是這種雷達。

但是，現在空中飛行的飛機太多，已經很少用初級雷達了，最常使用的是次級雷達，它會将發射的電磁波按編碼序列發給飛機。每個飛機上會安裝有一個異頻雷達接受機，在接收到信号後會産生一個編碼回應信号，這個信号中會包括飛機的相關信息，這也就是戰場上戰機分辨敵我的秘密。

一旦飛機關閉異頻雷達接收機，雷達就隻能探測到飛機而無法判斷哪架是目标飛機。但是對于空中交通控制中心來說，不僅要探測到飛機，更重要的是要清楚所有飛機的飛行信息，比如飛機的距離、位置、速度等，這樣才能管理好如此龐大的空中交通網絡。

回到我們速度滑冰的賽場上來說，一個個運動員在賽道上飛馳而過。裁判不僅要記錄運動員的比賽路線，在統計圈數、計錄時間的同時，還要判斷運動員是否搶跑、是否滑出自己跑道、是否在換道時幹擾對方等等，一旦有這些情況出現，選手就會被取消資格。所以公平判罰的基礎就是要準确地掌握運動員的比賽信息。

大家看，速度滑冰的比賽場是不是和飛機場管控一模一樣呢？雖然隻是一場速滑比賽，但是賽場上的管控需求并不見得就比飛機飛行時的管控需求低。

3 賽場計時該怎麼辦呢？

在2014年的索契冬奧會上引入了異頻雷達計時器。每一個運動員的腿上都會綁一個高性能的異頻雷達收發機。這個收發機的質量很輕也很小巧，完全不會影響運動員的競技狀态。但是這台接收機可以方便計時器精準的測定、記錄和公布比賽過程中運動員和團隊的比賽成績與最終排名。每一名運動員的異頻雷達收發機都可以接收專屬的編碼脈沖信号，這樣就不會出現記錯兩名運動員成績的尴尬。

除此之外，異頻雷達還能保護運動員的比賽權益，此話怎講呢？

我們知道在跑步比賽中，運動員的成績是記錄胸部撞線那一刻的時間，所以所有的運動員在終點處都會盡量将胸部向前傾斜，而不是用手去夠終點線。但在速滑比賽中規定，運動員的名次是以記錄冰刀撞線時的先後成績為最終結果。

在早期的比賽中，總會出現選手跨越終點線時冰鞋高于光電子眼紅外線光束的情況，這樣記錄的時間就會有誤差。而異頻雷達接受機就完美地解決了這個問題，裁判可以根據異頻雷達接收記錄的比賽時間來确定最終排名，這樣就不會再出現因為技術問題造成運動員比賽成績無效或比賽失利的情況。

當然，這些異頻雷達計時器的厲害之處遠不隻記錄比賽時間這麼簡單，它還可以記錄下比賽時選手們的平均速度、瞬時速度，甚至還能進行加速度、重力等一系列分析，為運動員後期的科學訓練提供準确的數據參考。比賽組委會還能通過這些異頻雷達追蹤運動員在賽道上的具體位置，為判罰提供更為準确的數據，這就跟空中交通控制中心掌握每架飛機的飛機信息一樣。

如此厲害的技術也并不隻是速滑比賽的專屬，像越野滑雪、短道速滑等冬奧比賽項目也已經開始使用這項技術了。異頻雷達計時器不僅能讓比賽的判斷更加準确，也能讓比賽變得更加公平公正。

4 結語

在奧運賽場上，運動員們為了百分之一秒甚至千分之一秒都在不斷地拼搏。正是這樣的體育精神掀起了一場關于比賽計時器的革命。

1896年，雅典奧運會

第一屆現代奧運會使用的是手動計時懷表，隻能精确到1/5秒。而且，這隻表的倒計時極限是30分鐘，所以那屆奧運會的馬拉松比賽，隻有名次，沒有成績。

1912年，斯德哥爾摩奧運會

首次使用了電子眼和終點攝影技術。

1924年，巴黎奧運會

計算時間精确到了百分之一秒。

1932年，洛杉矶奧運會

人工計時時代畫上了句号，奧運會開始進入全自動電子計時時代。

2004年，雅典奧運會

光是終點的攝像機就可以每秒拍攝1000張照片，基本杜絕了出現争議的可能。

2008年，北京奧運會

負責場館計時的技術人員多達700名，各種器材重達400噸。

2014年，索契冬奧會

引入了異頻雷達計時器，計時精度達到了千分之一秒。

從上面大家可以看出，其實各種高科技計時技術的出現也正是一場計時器之間的競争。

相信，未來還會出現更多更高精度的計時器，可以說在未來的運動賽場上，無論多麼細微的差距，我們都能更加準确地判定每一個運動員的成績。讓每一位運動員都能夠在公平、公正、公開的道路上不斷地去追求“更快，更高，更強，更團結“。

最後，祝我們中國所有的運動員在冬奧會上都能取得滿意的成績！

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