不要阻止我，我要在冰面上“飙车”

出品：科普中国

制作：杨锦鸿（清华大学）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

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。

众所周知，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。

我已经忍不住开始畅想赛事的盛况——

“观众朋友们！欢迎来到冰球赛场，这场比赛将由我们来解说。现在双方运动员正在入场，这一个个穿得非常厚实，可见冰球是一项残酷的运动，运动员需要在严寒中进行激烈的对抗。”

“现代冰球起源于加拿大，是加拿大严寒冬季传统的运动项目。比赛现场的低温是为了尊重传统，还好我们直播间有暖气，要不就要找运动员借件衣服穿……”

图片来源：北京市冰球运动协会

在球场上，身体的冲撞经常发生，所以厚重的衣服其实是用来保护球员，减少冲撞的伤害。

运动员在冰面上滑行的最快速度大约是14m/s，即50.4km/h。

此处应有交警同志提醒：冰雪场上的运动员都超速了（冰雪路面限速30km/h）！

图片来源于微博

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。

下图是水在不同压力和温度下的状态：

不同温度和压力下水的状态（图片来源：参考文献1）

图中的黑色实线是不同状态的分界线，最上方的区域是液态水，左下方“Ih”是我们生活中常见的冰。虚线是分界线在0℃的切线。

我们可以发现，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。

所以我们在冰面上只要用力，即使光脚蹬地也能“超速“？那当然……是不可能的。

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，但也没有完全接触

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。

另外，冰面和刀刃表面具有一定的粗糙度。因此，冰和刀刃实际接触可以视为一系列点接触。

微观尺度上刀刃和冰面接触示意图（图片来源：作者自制）

所以冰和刀刃的实际接触面积比表观面积更小，运动员在滑行过程中冰面承受的压强很大，据估计可以达到10兆帕量级，相当于100个标准大气压。此时，冰的熔点为低于0℃。

下图是使用红外摄像机拍摄的冰刀划过冰面后，冰面上的温度分布：

冰面上冰辙轮廓及周围温度分布（图片来源：参考文献2）

图中虚线是冰刀的轮廓，黑色实线是冰辙的轮廓，红色实线是温度分布。我们可以看出，在冰辙最深处的温度和冰辙外围冰面温度基本一致，其他区域由于摩擦使得温度略高于冰面。

下图是冰刀和冰面接触过中冰融化的示意图：

冰刀和冰面接触过程示意图（图片来源：参考文献2）

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。

结语

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。

都说到这了，还不穿上冰鞋来冰面上走两步。

参考文献：

[1] Colbeck S C. Pressure melting and ice skating[J]. American Journal of Physics, 1995, 63(10): 888-890.

[2] Lever J H, Lines A P, Taylor S, et al. Revisiting mechanics of ice–skate friction: from experiments at a skating rink to a unified hypothesis[J]. Journal of Glaciology, 2021: 1-20.