欢迎来到安阳市科学技术协会!
http://www.ayskx.org.cn/skin/default/img/tt1.png
http://www.ayskx.org.cn/skin/default/img/tt2.png
http://www.ayskx.org.cn/skin/default/img/tt3.png
http://www.ayskx.org.cn/skin/default/img/tt4.png
栏目导航
 
推荐文章
 
当前位置: 首页» 科普万象 » 正文

冬奥会里的趣味科学(上)——冰刀

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-12-23  来源:学习强国  浏览次数:3010
编者按2008年北京奥运会期间,赵致真老师和《科技之光》团队曾经制作了35集大型系列电视片《科技与奥运》,在央视体育频道播出,同时出版了相应图书,获国家广播电视总局科技创新                 奖,并受到国家科学技术委员会和北京奥组委的表彰。其中《冰雪盛会》一集,讲述了冬季奥运会中的诸多科学知识,展示了丰富而珍贵的历史画面。

在北京冬奥会开幕前夕,我们有幸取得作者授权,分上下两期对该片的文字和视频予以转载,迎接这场举世瞩目的冰雪盛会。

比起赤日炎炎、热力四射的夏季奥运会,冰天雪地、银装素裹的冬季奥运会别有一番韵致和风光。这里有洁白如玉的征途,晶莹如镜的赛场,“断桥危立”的跳台,陡峻盘曲的滑道。脚踩冰刀和滑雪板的健儿们驰骋如风、将飞欲翔;驾驭雪橇的勇敢者则创造了陆地极限速度,被誉为“冰上一级方程式”。

1908年伦敦奥运会便首次设立了花样滑冰项目,但早期奥运会“夏行冬令”的确勉为其难。1924年巴黎奥运会将冰雪项目的比赛提前半年在夏蒙尼举行并称之为“第八届奥林匹亚国际体育周”,此后被国际奥委会“追认”为第一届冬季奥运会。

当“白色奥运”从“附庸地位”到“另立门户”,五环旗交替飘扬在地球上寒暑分明的两个季节时,奥运会就更加色彩绚烂和充实完整了。

1908年伦敦奥运会上,德国运动员安娜·赫布勒和海因里希·博格获双人滑冰金牌。(来源:List of 1908 Summer Olympics medal winners)
1924年2月3日法国《小日报》封面,庆祝夏蒙尼首届冬奥会开幕。(来源:Le Petit Journal illustré)

要说冬奥会是一种“水上运动”也不为错,因为冰雪本来是固态的水。尽管地球表面71%被水覆盖,并且有2%的水体以冰的形式存在。我们对于水和冰的认识却仍然相当肤浅,包括人在冰雪上运动的复杂力学关系。

2007年11月9日,加拿大选手沃瑟斯庞在美国盐湖城以34秒03的成绩创造了500米速滑世界纪录,平均速度达到每秒14.69米。而牙买加选手鲍威尔2007年9月9日创造的男子百米短跑世界纪录为9秒74,平均每秒10.27米。可以说,滑冰是人类靠着双脚在地球表面上移动的最快方式。

2007年11月沃瑟斯庞参加盐湖城速度滑冰世界杯赛。(来源:commons wikimedia)

关于滑冰的记载可以追溯到4000多年前的斯堪的纳维亚半岛。将鹿和牛的胫骨、肋骨绑在脚上,这就是冰鞋最早的雏形。1250年,镶嵌在木板上的铁制冰刀在荷兰出现。而1572年苏格兰人发明的第一双全铁冰刀则是现代冰刀诞生的标志。

为什么冰刀不能在水泥、玻璃、钢板上滑行,却能在冰面上翔舞自如、“游刃有余”呢?

许多文章和教科书已经告诉我们,首先由于冰刀的压力使冰的熔点降低,同时由于摩擦生热,导致接触点的冰迅速融化,于是产生了一层薄薄的水膜,在冰刀和冰面间起润滑作用。也有不少科学家始终质疑这一解释,认为仅凭冰刀的压力和运动的摩擦远不足以使冰面融化。

近年来的研究已经证实,冰即使在环境温度远远低于熔点的情况下,表面也会形成厚度由几个水分子到几千个水分子构成的液态层,这是因为冰层内的每个水分子都被上下左右其他相邻分子所“固定”,而表面水分子则只能与“下层”分子连接,垂直振动速度更快,于是失去稳定的晶体结构,即使在远远低于熔点的温度下也会表现为“半液体”状态。这一发现的重大意义在于,冰的“光滑”主要是自身的天然属性,而不是来自外力的作用。

古代瑞典人用骨头绑在脚上溜冰。(来源:historiska.se)
冰刀在冰面上滑行示意图(来源:科技之光)

滑冰无疑是最舒展流畅、轻盈灵巧的运动,身体蹲屈,两腿交替,蹬冰、收腿、下刀、滑进,运动员流星般掠过冰面,身后留下美丽的弧线。滑行时我们追求最小的阻力,但蹬冰获得动力时,又需要有最大的阻力。因此身体重心所在脚的冰刀长轴必须与前进方向一致,蹬冰脚的用力方向却要与冰刀长轴垂直,靠锋利的刀刃“切入”冰层去“啃冰”。

和菜刀的刀刃大相径庭,冰刀的刀刃是一个拱形的凹槽。中长距离速滑冰刀要保持较好的直线性,因此刀身较长;短道速滑冰刀的刀身相对较短并较高,以便于在弯道上弧线前进和倾斜度很大时冰鞋不会接触冰面。而冰球运动员左奔右突,花样滑冰运动员翻腾跳跃,对灵活多变的要求胜过对直线速度的要求,因此冰刀的刀身短、刀刃利、刀槽深,前端一排“锯齿”能够更好控制急转骤停。

1998年日本长野举行的冬奥会上,速度滑冰的世界纪录几乎全部被打破,接着在2002年美国盐湖城冬奥会上,所有世界纪录又再次被刷新,导致这场“冰上革命”的直接原因,便是被运动员戏称为“拖板鞋”的克莱普冰刀。

克莱普冰刀(来源:schaatshistorie.nl)
克莱普冰刀(来源:wikiwand)

我们在奔跑和跳跃时,髋关节、膝关节、踝关节的肌群能按照自然顺序协同工作。但在传统的滑冰动作中,由于冰鞋和冰刀前后两端固定,完成蹬冰动作时如果伸展踝关节就会招致刀尖“刨冰”,轻则增加阻力,重则失去平衡,因此必须控制踝关节跖屈,并将“锁踝”作为技术要领,这样滑冰就将踝关节肌群的力量“扼杀”,只靠膝关节和髋关节肌群来“干活”了。

克莱普冰刀的巧妙构思是,将冰刀的前刀托用铰链和冰鞋连接,后刀托可以和冰鞋随时分离。其核心价值在于“解放”脚踝,使运动员在重心前移时,后刀托与鞋跟自动脱开,于是踝关节、跖关节都可以在蹬冰最后阶段自由伸展,并依然保持冰刀“全刃着冰”。膝关节力量也因此得以更充分发挥。克莱普冰刀实际上将传统冰鞋足部绕刀尖转动变为绕脚掌转动,身体“重臂”为之缩短,同时克服了蹬冰时重心主要横向移动的弊端,使身体重心能够纵向前移。统计表明,克莱普冰刀能将中长距离比赛的滑行速度提高5%,平均每圈400米要快1秒到1.5秒。

 
 

豫ICP备15019654号-1  电话:0372-2555661

扫描加关注 官方账号:
安阳市科学技术协会