2月12日，北京冬奧會速度滑冰男子500米項目，高亭宇以34秒32打破奧運紀錄的成績斬獲金牌，為中國隊拿下本屆冬奧會的第四金。在這種追求極緻速度的比賽中，冰刀無疑是一個極為重要的裝備。看起來樸實無華的冰刀背後，無數的科研工作者克服了一個又一個的力學難題，其中摩擦力顯然是一個重要的方向。

速度滑冰

很多人可能覺得冰刀太普通了，沒啥技術含量，随便一家鋼鐵廠就可以做出來。确實，任何一家鋼鐵廠都可以做冰刀，但是普通鋼鐵廠做出來的冰刀卻沒有專業冰刀滑得更快，這究竟是為什麼呢？競技體育從來都不僅僅是運動員體力的較量，背後更是科技、科研力量的比拼。

冰刀

速度滑冰想要獲得更快的速度，就得盡量降低各種各樣的滑行阻力，包括空氣阻力和摩擦阻力。前幾期我們說過，空氣阻力依靠風洞實驗，可以幫助運動員找到阻力最小的姿态動作。摩擦阻力的來源就在冰刀上，據了解，摩擦阻力占了總阻力的20%-25%。那麼，科學工作者究竟是通過什麼方法來降低冰刃的摩擦阻力呢？

首先，必須得深入探讨摩擦力的來源。可能大家通過各種途徑，都知道冰刀與冰面接觸，并不是幹接觸，兩者之間存在着融化的水。如果是幹摩擦，摩擦力主要來自粗糙的接觸面，摩擦系數約0.3。但是由于水的存在，起到了潤滑的作用，摩擦系數大大降低了。

水膜潤滑

水膜到底是怎麼産生的？目前科研人員尚不太清楚，還有一定的争議。先後出現了三種理論：壓力融化、摩擦生熱、低溫液态膜。壓力融化理論最早，1886年就提出來了，這個理論認為冰刃産生的高壓，讓被壓迫的冰融化了。從水的三相圖上可以看到，水的固液兩态确實可以轉化。但是這個理論後來慢慢地被抛棄了，因為科研人員通過計算發現高壓融化對環境溫度比較高，必須不低于-0.00012℃，而通常比賽的環境溫度都在-4℃左右。環境溫度太低，人體産生的高壓尚不足以融化冰面。

壓力融化

摩擦生熱理論非常容易理解，冰刀與冰面的摩擦，會産生熱量，這個熱量就有可能融化冰面。研究發現，滑性速度越快，産生的熱量就越多，升溫就越明顯，這一點非常符合我們的常識。另外，計算發現，如果摩擦生熱的熱量全部用于融化冰面，那麼會産生14-21微米的水膜，這點水足夠潤滑用了。低溫液态膜理論認為，冰面本來就存在着水膜，這是由于冰表面分子的受力狀态不同導緻冰層不穩定産生的，即便在熔點之下，表層冰面還是會有水膜。這兩種理論，其實并沒有互相否定，區别在于水膜是否本來就存在。

摩擦生熱

低溫液态膜

有了這個摩擦的理論基礎，就可以準确地計算摩擦阻力了。滑冰的時候速度很快，即便事先有一層水膜，滑行的時候摩擦融化的水更多一些。水量的多少，就非常影響摩擦力的大小了。所以，有人就專門研究了冰刀的摩擦生熱問題。通過這些研究，找到一個形狀、刃口最佳的冰刀，從而降低摩擦阻力。另外，也能對冰刀的結構進行分析，确保其足夠結實，避免刀刃損壞，延長使用時間。同時足夠“硬”，嚴格來說足夠剛，才能确保運動蹬腿的時候傳力更快，更有勁。

冰刀弧線

可能有同學會有疑問，冰刀結構還能怎麼改，速滑冰刀不就是一條直線嗎？短道速滑的弧度很明顯，但是速滑的長冰刀并不是直線，而是多段弧線拼接而成。那這些弧線的具體形狀、尺寸都是優化設計的點。

木衛2

所以，冰刀并不是随随便便就能生産的，缺乏背後的力學分析，到了賽場上就很可能因為這一點點摩擦阻力而痛失獎牌。另外，由此形成的一整套力學理論和分析過程，還可以用于星辰大海的探索，比如破冰船的研制，比如木衛二等冰表面天體着陸器的開發。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!