滑雪板表面親疏水性影響冰雪運動雪上摩擦力

研究

在雪上競速項目中，制約運動員取得優(yōu)異比賽成績的因素除了運動員自身體能素質(zhì)與競技技巧外，運動中的行進阻力是影響運動員成績的最主要因素。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械處理和對滑雪板進行打蠟處理實現(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，也可以保護雪板表面免受磨損和氧化

近現(xiàn)代對冰雪表面摩擦學(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)。滑雪板板底材料的親疏水性也會影響摩擦，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而降低。增加滑雪板表面的疏水性可以改善毛細吸力，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，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。滑雪板表面的處理方法可以分為兩種：一種是對滑雪板表面的結(jié)構(gòu)進行處理。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發(fā)生改變，如圖2（a~c）所示，滑雪板表面因此也會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，因為它們能夠增加滑雪板表面的疏水性，如圖2（d）所示，降低毛細吸力，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動員提高比賽成績不可少的一部分。此次，國家大力發(fā)展冰雪運動，冰雪運動基礎(chǔ)設(shè)施日趨完善，同時越來越多人開始關(guān)注冰雪運動，加入冰雪運動，冰雪運動中的科技元素-雪蠟也應(yīng)該得到更多的關(guān)注。