速滑“利器”冰刀,隐藏哪些乾坤?

发布日期:2022-06-19 13:27    点击次数:71

出品|网易新闻

导语:近日,冬奥会短道速滑项目吸引了众多观众的目光。2月13日晚,北京冬奥会短道速滑男子500米半决赛中,卫冕冠军武大靖位列小组第3,进入B组决赛,遗憾无缘卫冕。在小组半决赛时,韩国选手黄大宪的一个抬刀动作,引起了不小争议。王濛在解说回放时心疼地表示,黄大宪的抬刀动作“太危险”、干扰到了身后的武大靖。短道速滑的比赛瞬息万变,尤其刺激和紧张,一不小心,选手之间就会发生碰撞,而其中最大的威胁,莫过于选手脚下踩的冰刀了,究竟有多危险?制成冰刀的钢材料又隐藏着什么乾坤?让我们一起来看。

冰刀上的“乾坤”

现在的冰刀不是刀,没有刀刃,冰刀背部和刃部是一般厚的。滑冰时,冰刀将对冰面产生的较大压强,可使冰刀与冰面之间形成一个很薄的水层。这个水层可以起到润滑的作用,继而减小冰刀与冰面之间的摩擦力,使滑冰者能在冰面上迅速滑行并保持稳定。如果冰刀存在很薄的刀刃的话,滑冰者将很难在冰面上保持平衡了。更重要的是,冰刀还能在启动和加速阶段使滑冰者快速获得前进的动力。

不同的滑冰运动,所穿的滑冰鞋应当配备不同的冰刀。花样滑冰冰鞋腰硬且高,以保护踝关节;冰刀刀刃较宽且中间有沟槽,刀体弧度较大,以便于小半径转弯做旋转和步法等。冰球项目对抗性较强,要求具备良好的保护措施,因此冰球鞋的鞋头很硬、鞋腰较高、鞋帮很厚,球刀刀体很短且具有较大弧度,以便于增强滑冰者在冰面上的灵活性等。速度滑冰的主要特点是速度快,所以速滑刀刀体长一些,蹬冰面积大而摩擦阻力小;速滑鞋的鞋腰较矮,这样便于降低身体重心,以减少空气阻力。

不同项目的冰刀刃厚度不同,其中速滑冰刀的刀刃厚度1-1.3毫米;冰球冰刀刃厚度是2.8毫米;花样滑冰为了让运动员在赛场上站得稳,冰刀刃较厚,但也只有3.5-3.8毫米。

如此锋利的刀刃在有肢体对抗的比赛之中,就可能会造成受伤事件。任何短道速滑比赛都对运动员的服装有严格要求,运动员的防护服是用特殊纤维制成的,其原料与防弹背心所用的相同,冰刀割不破。

图源:新华社

此外,运动员还必须穿护膝、护胫、护颈,戴头盔,尤其是护颈和头盔,可以最大限度避免出现生命危险。

冰刀所用材料的演变

人类历史上最古老的冰刀是用兽骨制成的,之后才出现了钢铁制成的冰刀。大约在13世纪中叶,荷兰出现了铁制冰刀。1572年,苏格兰普及了铁制冰刀,从而为现代花样滑冰奠定了基础。

骨质冰刀 图源:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1723834118586723545&wfr=spider&for=pc

1850年,美国人制造出了世界上第一副钢制冰刀,从而促进了花样滑冰的发展。1889年在荷兰首都阿姆斯特丹市举行了首届国际性速滑比赛,同时也推动了滑冰器材的不断更新。1902年挪威人阿·鲍尔森和哈·哈根发明了铁制管形冰刀以后,使世界速滑技术水平和运动成绩都有大幅度的提高。

图源:https://page.om.qq.com/page/OLxUEpNPNTpHGc1_ZjQWN8SA0

1985年,在荷兰格瑞特教授的带领下,一群科学家们制造了第一双带铰链的冰刀模型,就是今天倍受运动员们酷爱的“klap”冰刀。后来,花样滑冰冰刀逐渐发展为全金属或塑料与金属合制而成。

清代,我国冰上运动器材的制造技术就已达到了相当高的水平。如在滑冰鞋上普遍装上了冰刀,即把铁条钉在木板上,然后再把木板绑在鞋底的下面。那个时候的滑冰鞋就已经有单冰刀、双冰刀之分了。

现代冰刀用的是什么材料?

一款好的冰刀,滑行时前进方向的摩擦力要小,侧向蹬踩冰面时摩擦力要大,才能增加运动员的滑行速度。所以,通常情况下,专业冰鞋的冰刀由两层钢构成,上面是具有一定弹性的含碳量为0.15%~0.30%的软钢,下面是含碳量0.50%~0.80%的硬钢,两层钢经研磨和磨锋后,形成高硬度、低粗糙度的刀刃,从而在不降低冰刀韧性的情况下,大大提高刀刃的寿命,减小了冰刀与冰之间的摩擦力,产品信息提高了滑行速度。

软钢易得,硬钢难求。能达到理想要求的硬钢材料,目前主流有两种,为涂层高速钢和粉末金属工具钢。涂层高速钢的特点是在刀刃的两侧涂有薄薄的氮化钛或碳化钛,刀片整体采用双金属复合钢,经研磨和磨锋后,在两侧形成高硬度、低粗糙度的刀刃,从而在不降低韧性的情况下提高刀刃寿命及摩擦力,进而有效提升滑行速度。而粉末金属工具钢是通过高压惰性气体或高压水雾化高速钢水而得到的细小的高速钢粉末,然后在高温、高压下压制成形,再经烧结而成的高速钢,具有绝对的最佳滑速和耐磨损性能,应用更为广泛,但只有国外很少的几家公司生产。国内高端冰刀用材基本都是从德国、瑞士等进口的特种钢。

要想成刀,软钢与硬钢两层钢还需要焊接到一起。国内生产的冰刀钢多点焊接不直,也没有相关矫正设备,所以只能从国外进口成品。

何时能用上中国造冰刀材料?

机遇与挑战并存。北京冬奥给了难得的契机,冰刀制造可能实现跨越发展。

对冰刀进行增强处理。负责为运动员进行减阻设计实验的清华大学机械系主任汪家道团队,正对冰刀进行创新设计。在原有冰刀的基础上进行了增强处理,即在冰刀表面涂上薄薄的复合材料涂层,使冰刀两侧硬度增强,降低滑行摩擦力,提高耐磨损能力,增大抓冰力。增强处理后,冰刀侧面硬度增强19%,侧向蹬踏摩擦力增强超过30%,前进方向摩擦力降低16%~22%,由此实现增速减阻目的。目前改进后的冰刀设备正在国家集训队应用测试,服务北京冬奥会运动员备战比赛。

更换冰刀制造材料。黑龙冰刀品牌创建于上世纪五六十年代,代表了当时中国冰刀鞋设计制造的最高水准。随着申冬奥成功,黑龙冰刀迎来重塑品牌的机会。冰刀生产线实现智能化,一举迈进了工业4.0的门槛。

2019年,黑龙供给国家队测试用速滑刀,率先使用航空钛合金整体制作而成。这款为国家队参赛准备的产品利用现代3D金属打印技术加工,传统工艺几乎无法模仿。刀体整体减重10%~15%,利用大数据分析速度滑冰比赛中的人体力学特点,采用独创的“T”形梁及拱形沉孔刀带设计,刀体弹性显著增强,并解决了滑行过程中“内弧”需求的技术难点。“速度滑冰高端冰刀研制关键技术研究与示范应用”成功入选国家重点研发计划“科技冬奥”专项。目前,黑龙冰刀正与国内高校联合开发研制出了新一代的冰刀鞋,在结构和材料方面申报知识产权。

结语:

了不起的人文冬奥。2022年,将是中国冰刀制造的奋进之年。“带动三亿人参与冰雪运动”向纵深推进,中国冰雪产业正迎来前所未有的发展机遇。作为今后亚洲乃至全世界最具消费潜力的冰雪市场之一,本土冰雪装备器材生产发展前景得天独厚。冰刀制造,不只是要借力冬奥实现突破,更要瞄准后冬奥时代。

参考文献:

1. 张艳静,冰刀上的“乾坤”,农村青少年科学探究,2018年1月

2. 何亮,这些装备材料的“小心机”或带来冬奥比赛成绩的“大突破”,科技日报,2022年1月

3. 范佳元,季芳,冰雪装备 乘势而起,人民日报,2021年11月23日第015版

4. 飞翔的小蝌蚪520,冬奥会成绩下滑背后,中国竟然造不出优质的“冰刀钢”!百家号,2018年2月

5. 许秀江,黑龙,冬奥会期待你的回归,金融博览,2020年第1期

6. 陈猛,张颖,赵丹,冰天雪地变金山银山 冰雪产业成发展引擎,齐齐哈尔日报,2021年12月12日第1版

7. 齐丽敏等,现代科学技术发展对速滑冰刀演变的影响,冰雪运动,2006年4月

8.https://t.ynet.cn/baijia/32203832.html



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