滑雪板表面親疏水性影響冰雪運(yùn)動(dòng)雪上摩擦力

研究

在雪上競(jìng)速項(xiàng)目中，制約運(yùn)動(dòng)員取得優(yōu)異比賽成績(jī)的因素除了運(yùn)動(dòng)員自身體能素質(zhì)與競(jìng)技技巧外，運(yùn)動(dòng)中的行進(jìn)阻力是影響運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的最主要因素。減小雪板與雪面之間的摩擦阻力則主要通過滑雪板基材機(jī)械處理和對(duì)滑雪板進(jìn)行打蠟處理實(shí)現(xiàn)。在雪板上涂上薄薄的雪蠟可以減少雪板與雪面之間的摩擦，也可以保護(hù)雪板表面免受磨損和氧化

近現(xiàn)代對(duì)冰雪表面摩擦學(xué)的研究認(rèn)為，在冰雪表面存在1層水膜或準(zhǔn)液態(tài)水潤(rùn)滑層，避免與冰雪表面直接接觸，從而減小了冰雪表面的摩擦系數(shù)?；┌灏宓撞牧系挠H疏水性也會(huì)影響摩擦，如圖1（a）所示，親水性的滑雪板（θ＜90°）表面傾向于與水結(jié)合，增大滑雪板與雪面之間的粘附力，從而與雪地摩擦力增大；疏水性的滑雪板（θ＞90°）則有利于減小毛細(xì)吸力。Shimbo等證明滑雪板與雪面之間的摩擦系數(shù)隨著滑雪板表面的疏水性增強(qiáng)而降低。增加滑雪板表面的疏水性可以改善毛細(xì)吸力，減小滑雪板表面與雪面之間的粘附力。如圖1（b）所示，雪板表面粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在3℃的環(huán)境溫度下，粗糙表面的摩擦系數(shù)較小，而在−2℃時(shí)，摩擦系數(shù)隨著粗糙度的增加而略有增加。

圖1.（a）雪/冰粒與滑雪板基接觸形成水膜的粗略圖（左：θ<90°的親水表面，右：θ>90°的疏水表面）；（b）摩擦系數(shù)與粗糙度關(guān)系圖

發(fā)現(xiàn)

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是目前常用的滑雪板材料。UHMWPE是一種半晶體聚合物，具有較長(zhǎng)的聚合物鏈，典型的分子量在3×106~12×106g/mol，UHMWPE具有*的摩擦學(xué)特性?；┌灞砻娴奶幚矸椒梢苑譃閮煞N：一種是對(duì)滑雪板表面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。括石磨和鋼刮，石磨是*的滑雪板處理方法（滑雪板工廠通常將此方法應(yīng)用于新生產(chǎn)的滑雪板）。通過石磨，滑雪板表面可具有微觀的納米結(jié)構(gòu)，滑雪板的粗糙度也會(huì)發(fā)生改變，如圖2（a~c）所示，滑雪板表面因此也會(huì)具有不同程度的疏水性。另一種方法則是在滑雪板底部打上1層薄薄的雪蠟。蠟是由烷烴（石蠟）或（全）氟碳化合物組成的特殊蠟質(zhì)。尤其是含氟雪蠟在現(xiàn)今的滑雪比賽中非常受歡迎，因?yàn)樗鼈兡軌蛟黾踊┌灞砻娴氖杷?，如圖2（d）所示，降低毛細(xì)吸力，從而減少雪板與雪或水之間的粘附力。

圖2. 不同的石磨方法制備的滑雪板表面：（a）Mantec，（b）Tazzari和（c）Wintersteiger；（d）不同處理表面的接觸角比較

雪蠟可以使得滑雪板更疏水，從而減少雪面與滑雪板之間的摩擦，也可以保護(hù)雪板表面免受磨損和氧化，是滑雪愛好者享受滑雪樂趣和運(yùn)動(dòng)員提高比賽成績(jī)不可少的一部分。此次，國(guó)家大力發(fā)展冰雪運(yùn)動(dòng)，冰雪運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施日趨完善，同時(shí)越來越多人開始關(guān)注冰雪運(yùn)動(dòng)，加入冰雪運(yùn)動(dòng)，冰雪運(yùn)動(dòng)中的科技元素-雪蠟也應(yīng)該得到更多的關(guān)注。