冬奥会中的表面科学：滑雪板表面亲疏水性影响冰雪运动雪上摩擦力

克吕士科学仪器（上海）有限公司

2022/02/11 14:28

KRÜSS于1796年诞生于德国汉堡，是表面科学仪器领域的全球领导品牌。先后研发了世界上第一台商用全自动表面张力仪和第一台全自动接触角测量仪，荣获多次国际工业设计大奖和德国中小企业最具创新能力TOP100荣誉。其它产品还包括各类动态表面张力仪、泡沫分析仪、界面流变仪和墨滴形状分析仪等。

KRÜSS

研究

在雪上竞速项目中，制约运动员取得优异比赛成绩的因素除了运动员自身体能素质与竞技技巧外，运动中的行进阻力是影响运动员成绩的最主要因素。减小雪板与雪面之间的摩擦阻力则主要通过滑雪板基材机械处理和对滑雪板进行打蜡处理实现。在雪板上涂上薄薄的雪蜡可以减少雪板与雪面之间的摩擦，也可以保护雪板表面免受磨损和氧化

近现代对冰雪表面摩擦学的研究认为，在冰雪表面存在1层水膜或准液态水润滑层，避免与冰雪表面直接接触，从而减小了冰雪表面的摩擦系数。滑雪板板底材料的亲疏水性也会影响摩擦，如图1（a）所示，亲水性的滑雪板（θ＜90°）表面倾向于与水结合，增大滑雪板与雪面之间的粘附力，从而与雪地摩擦力增大；疏水性的滑雪板（θ＞90°）则有利于减小毛细吸力。Shimbo等证明滑雪板与雪面之间的摩擦系数随着滑雪板表面的疏水性增强而降低。增加滑雪板表面的疏水性可以改善毛细吸力，减小滑雪板表面与雪面之间的粘附力。如图1（b）所示，雪板表面粗糙度对摩擦系数的影响，发现在3℃的环境温度下，粗糙表面的摩擦系数较小，而在−2℃时，摩擦系数随着粗糙度的增加而略有增加。

图1.（a）雪/冰粒与滑雪板基接触形成水膜的粗略图（左：θ<90°的亲水表面，右：θ>90°的疏水表面）；（b）摩擦系数与粗糙度关系图

发现

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是目前最常用的滑雪板材料。UHMWPE是一种半晶体聚合物，具有较长的聚合物链，典型的分子量在3×106~12×106g/mol，UHMWPE具有独特的摩擦学特性。滑雪板表面的处理方法可以分为两种：一种是对滑雪板表面的结构进行处理。括石磨和钢刮，石磨是公认的滑雪板处理方法（滑雪板工厂通常将此方法应用于新生产的滑雪板）。通过石磨，滑雪板表面可具有微观的纳米结构，滑雪板的粗糙度也会发生改变，如图2（a~c）所示，滑雪板表面因此也会具有不同程度的疏水性。另一种方法则是在滑雪板底部打上1层薄薄的雪蜡。蜡是由烷烃（石蜡）或（全）氟碳化合物组成的特殊蜡质。尤其是含氟雪蜡在现今的滑雪比赛中非常受欢迎，因为它们能够增加滑雪板表面的疏水性，如图2（d）所示，降低毛细吸力，从而减少雪板与雪或水之间的粘附力。

图2. 不同的石磨方法制备的滑雪板表面：（a）Mantec，（b）Tazzari和（c）Wintersteiger；（d）不同处理表面的接触角比较

雪蜡可以使得滑雪板更疏水，从而减少雪面与滑雪板之间的摩擦，也可以保护雪板表面免受磨损和氧化，是滑雪爱好者享受滑雪乐趣和运动员提高比赛成绩必不可少的一部分。此次，我国作为冬奥会主办国，国家大力发展冰雪运动，冰雪运动基础设施日趋完善，同时越来越多人开始关注冰雪运动，加入冰雪运动，冰雪运动中的科技元素-雪蜡也应该得到更多的关注。

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