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世界上最快的运动是？怎么计时的？ 02/06/2022 本文转载自微信公众号“中科院物理所”，文 | 藏痴 北京冬奥会昨晚开幕，各项赛事也全面展开。 从今晚开始，短道速滑混合团体接力的1/4决赛、半决赛及金牌赛将相继举行。短道速滑一直是中国队在冬奥会上的夺金大项，今年，北京冬奥会新增了短道速滑混合团体接力项目。 是否想过，短道速滑为什么能“纵享丝滑”？各种高速运动比赛中，选手们之间的差距可能只有零点零几秒，裁判员又是怎么计时的？ 从科技的角度，一起来了解下滑冰项目，有助于更好地观看比赛。 本届冬奥会共设109个比赛项目 分冰上项目和雪上项目 像体力与智力交辉的冰壶美轮美奂的花样滑冰 和中国队传统优势短道速滑 就都是冰上项目。 为什么踩着冰刀就可以飞驰电掣？ 怎么才能滑得更快更稳？ 我们平常说的冰刀分为三种，包括速滑冰刀、花样冰刀和冰球冰刀，顾名思义，分别用于速度滑冰（包括短道速滑）、花样滑冰和冰球。 按照不同运动的不同需求，不同种类冰刀的形状、重量乃至构造都有区别。具体而言，速滑冰刀的刀刃最窄，只有大约1.4mm，相比而言，最宽的花样冰刀刀刃有3.5mm厚，可以支持运动员在冰面上稳定地做出各种复杂的动作。 冰刀的刃可以嵌入冰面，避免在垂直刃的方向上发生我们不想要的滑动。在沿着冰刀刃的方向又可以保持很小的摩擦力。有了冰刀的帮助，运动员就可以在冰面上自如地滑行，而不会动不动来一段冰上街舞了。 那么，为什么冰刀和冰面之间的摩擦力这么小呢？一种常见的说法是，冰刀与冰面之间极小的接触面积造成了非常大的压强，这一压强使冰的熔点下降，在表面形成了一层水膜。正是这层水膜减小了冰刀与冰面之间的摩擦力。但是，冰刀施加的压强到底能使熔点下降多少？真的可以使冰融化吗？ 在水的相图中，固液分界线BD段描述了冰熔点随着压强变化的变化趋势。BD段小于零的斜率意味着随着压强增大，熔点逐渐降低。 我们假设一名运动员体重70公斤，来看看他穿着冰刀站在冰面上时对冰面施加的压强可以让冰的熔点下降多少。按照刀刃与冰面接触面积最小的速滑冰刀计算，一般来说，刀刃前端超出脚尖8~9cm，后端超出脚跟5~6cm。 取冰刀刀刃长度50cm，平均宽度按1.4mm计算。单脚站立的情况下，运动员通过冰刀对冰面产生的压强大约10⁶Pa，也就是10个标准大气压。代入描述相变的克拉伯龙方程 在1939年，剑桥大学的两位科学家就猜想，滑冰时冰刀与冰面的快速摩擦产生的热量可能是冰面融化形成水膜的主要原因。可惜后来人们证明，摩擦产热导致的水膜厚度会明显小于20μm，而冰面本身的粗糙度就已经在几十到几百微米了。也就是说，摩擦产生的水膜甚至不能填满冰层表面的“小水坑”，也就更不能提供有效的润滑了。 随着实验技术的发展，1960年以后，科学家们逐渐可以对冰面的微观结构进行足够精确的观察。温度不太低的时候，冰层与空气接触的表面并不是从规则排列的水分子突变成空气，而是存在一个过渡层。过渡层内部具有逐渐变化的结构，从分子排列整齐的晶态冰，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过范德华力和氢键之类的弱作用力连结，形成了可以贮存液态水的多孔结构，就像凝胶珠一样。越靠近空气，过渡层中水分子的排列就越加无序，液态水就越多，固体冰晶之间的连结也越弱，甚至在水膜中出现了可以自由活动的微型冰碴和冰粒。 在最新的理论中，水膜里的微型冰碴和冰粒充当了轴承滚珠的角色，它们将滑冰时宏观上的滑动摩擦转变为微观上的滚动摩擦。冰刀产生的压强作用在过渡层中半熔化的冰水混合物上，这些冰水混合物像被捏爆的凝胶珠一样释放出液态水。这些水增加了原本水膜的厚度，使润滑的效果更好，进一步降低了冰面上的摩擦系数。这样，冰刀就可以在不直接接触晶态冰层的情况下，通过冰层表面自带的过渡层减小阻力，实现流畅的滑行。 …