花样滑冰可谓冬奥会上最具亮点的项目之一。看着美丽的小哥哥小姐姐们在冰面上翩翩起舞，实在是不可多得的审美享受。而在这份极致的美丽背后，却也蕴含着同样美丽有趣的科学。 比如说，一个看似简单的问题：运动员是怎么通过鞋底的冰刀滑行起来的？

传统的观点认为，冰刀在划过冰面时，由于摩擦和压力，会在与刃口接触的冰面上形成极薄的一层融水，从而极大降低摩擦力，让滑冰运动员能够在冰上飞速疾驰。 

不过，后来科学家们经过计算发现，单纯依靠摩擦或者压力，都不能解释冰刀在冰面上的滑动特性。尤其是压力，倘若纯靠压力融化坚冰，那需要的压强将远超冰面对冰刀刃口的承载极限。

 通过极为精密的原子力显微镜，科学家在一项发表于2018年的研究论文中指出，他们发现在冰的表面，有一层预融化的、处于固体和液体边界的特殊水分子层。这“似冰非冰，似水非水”的“准液体”水膜，再配合其实没有那么大作用的摩擦和压力，就是科学界目前对滑冰原理相对最为完善的解释了。

说完冰面，我们再来说说和它亲密接触的冰刀。 

奥运会使用的冰刀，虽然整体上都是安装在冰鞋底部、刀背厚度约为5毫米的不锈钢刀片。但花样滑冰的冰刀结构有个非常独特的设计，就是在“花刀”的前端有一组被称为“刀齿”的锯齿。它们的作用，显然就是像鲨鱼的利齿一样咬住冰面，从而让花样滑冰运动员们可以做出各种天外飞仙般轻盈优美的旋转跳跃动作。

如今，随着激烈的比赛竞争，刀齿的设计已经变得非常复杂，甚至可能真的像鲨鱼口中层层叠叠的利齿一样，在窄窄的刀口上设置不止一层的复合型刀齿，以充分适应选手们打磨到极致的个人风格和极端苛刻的动作需求。可以说，这些冰刀就是为奥运选手们量身打造的“专属神兵”。

不过，这排“鲨鱼牙”也导致了花刀在“啃冰”方面同样凶狠。而且花样滑冰的打分规则里对选手的“冰面覆盖”能力也提出了明确的评价要求，鼓励选手“滑满全场”。因此，一段美轮美奂的冰上舞蹈结束后，选手的一番“极限操作”也会在冰面上刮出一整片千沟万壑。显然，此时就让下一批选手上场，难免会导致各种意外。因此，为了能让比赛顺利进行，如何快速恢复冰面的整洁就成了非常重要的问题。

和追求极致的奥运精神一样，奥运花样滑冰项目对冰场的要求也非常苛刻。首先，尺寸被限定为30米*60米。其次，冰面温度被要求精确控制在-5.5℃到-3.5℃之间。此外，为了追求极致的冰面平滑度和硬度，就连结冰所用的水也需要经过严格的质量控制。一般而言，这些“奥运冰水”会被细致过滤，尽可能去除各种可能导致冰面变脆变软的杂质。有时候，一些对自身冰面要求更为苛刻的场馆，还会通过调整水质来追求最为美丽的冰面色泽。 

而呵护这片精贵程度堪比水晶的冰面，就是洗冰车的职责了。

随着选手们轮番登场，我们会发现，像羽生结弦这样的小哥哥们，普遍会选择便于活动与展示形体的修身长袖、长裤作为比赛表演服，可谓帅气逼人。而到了谢尔巴科娃这样的小姐姐们上场后，她们的衣着，就几乎是清一色的小巧短裙和紧身打底裤了。

为什么这些冰上小仙女们不能穿上更加仙气飘飘的大裙子出赛呢？

整体而言，花样滑冰项目对选手的演出服选择是比较自由的。我们如今看到的“统一着装”，其实是一代又一代选手在追求极致动作和美感的挑战中慢慢摸索出来的“最优解”。在花样滑冰运动的发展早期，确实一度采用过当时欧美社会主流的长裙女装。可是长裙的问题很快就暴露出来，滑行时兜风、挂腿等烦心事姑且不论，最大的问题，更是直接被物理学定律锁死了。

我们看花样滑冰比赛，经常会看到运动员在冰面上原地旋转。一开始，他们的转速并不快，甚至可以看出随着冰面的微量摩擦力而缓缓减速。可是当运动员把用于维持平衡的双臂大胆收拢后，整个人就突然像通了电的钻头一样加速旋转起来，甚至会让冰刀在脚下原地表演一个“人形刨冰机”。最后，运动员再次打开双手，在观众的欢呼声中，结束这次精彩的旋转动作。

变速旋转的科学原理，就是物理学的“角动量守恒定律”。角动量，是物体线性运动时的动量在旋转运动时的类似物。最为重要的是，在不受外力干预的情况下（比如忽略冰面微弱的摩擦力），一个物体的角动量是守恒不变的。在自转的情况下，角动量等于角速度（一般通俗理解的“自转速度”）与转动惯量的乘积。而转动惯量的计算，又与物体本身的半径有关，半径越大，转动惯量越大。

正因如此，花样滑冰运动员在立于冰面、双腿并未发力的情况下，可以通过回收、展开双臂，来控制自己的半径大小（也就控制了转动惯量），并由于角动量守恒，进一步控制了随着转动惯量此消彼长的角速度，从而实现精彩的变速转动表演。2021年12月9日，位于天宫空间站的航天员叶光富，甚至在更加接近理想无阻力环境的失重太空中，亲自表演了“太空悬浮变速旋转”，向我们生动演示了角动量守恒定律。

正是由于存在着这样的物理学定律约束，看似优雅美丽的长裙，在运动员高速旋转时，就会不可避免且不可控制地随着旋转产生的离心惯性而展开，大大拖累了旋转的角速度。一来二去，随着对动作表现力的追求越来越高，女运动员们纷纷裁短了腰上的裙子，只保留装饰性的短小裙摆。

花样滑冰，是一项对人体的力量、技巧和美感都有极致追求的运动。世界各地的运动员们，都以自己艰苦卓绝的训练，冲击着这一力与美的巅峰。而对于欣赏他们英姿的我们而言，理解他们的追求与背后的科学机理，就是对他们最大的崇敬。

作者介绍 张雨晨 神经与认知科学专业

文章来源：重庆科技馆微信公众号