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摘自《奥运中的科技之光》,赵致真著。经赵致真先生授权,科学松鼠会网络发布,转载请注明。

“也许我们总有一天能建造更多‘环球同此凉热’的人工冰雪场,但作为奥运会的‘半边天’,冬奥会大概永远只会在地球高纬度地区的冬季举行。”

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。这里是洁白如玉的征途,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1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。

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记录为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。

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2007年11月沃瑟斯庞参加盐湖城速度滑冰世界杯赛

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。

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冰刀在冰面上滑行示意图

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”的直接原由,便是被运动员戏称为“托板鞋”的“克莱普”冰刀。

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克莱普冰刀

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克莱普冰刀滑行

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。

皑皑白雪从来是诗人画家灵感和巧思的源泉,也是冬季奥运会高洁而素雅的底色。而滑雪板则是运动员必不可少的基本装备。人在双脚站立时,对地面的压强约15000帕,行走在积雪没胫的原野上,每一脚都要把松软的雪压实,因此会消耗许多能量而“举步维艰”。滑雪板将踩雪面积增加了20倍,脚对雪的压强也减少到原来的20分之一,人便被这双“大脚板”托在雪的表面上而能够“畅行无阻”了。

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滑雪板示意图

雪的表面也许是地球上最神奇的表面之一,固态、液态、气态的水在这里同时并存相互作用,形成复杂的物理特性。滑雪运动可以看成人-板系统重心转动和曲线运动的合成。高山滑雪是重力势能转化为动能的直接演示,体重大的运动员单位体重受到的空气阻力更小,因此会滑得更快。大、小回转时不仅靠手中的雪杖像船篙一般改变行进方向,更要靠身体倾斜让滑雪板底面和雪面形成一个夹角。高速滑行的边刃“刻”入雪地后,“侧面切削”的横向摩擦力和滑雪板边缘相垂直,提供了人体曲线运动的向心力。新型的滑雪板头尾较宽,腰部较细,形如“沙漏”,施力后会形成一定弧度“引导”转弯。滑雪板越短,“板腰”越窄,转动半径就越小,没有弯曲变形的滑雪板是无法转弯的。现代滑雪板能在运动员跌倒后自动“脱扣”以策安全。而为了减小摩擦和保护滑雪板,“打蜡”从来是运动员必须掌握的重要技巧。

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滑雪回转姿势

CM:人体质心 W:重力 Fload:雪面荷载 FN:荷载与重力的法向分力 Flat:荷载与重力的侧向分