广告

……滑雪的物理学

新设计和新材料正在革新世界上最古老的极限运动

Google NewsGoogle News Preferred Source

新闻简报

注册我们的电子邮件新闻简报,获取最新的科学新闻

注册

1929年一个阳光明媚的冬日早晨,一个名叫David Lind的男孩在华盛顿州乡下的一座雪山上纵身而下,随即爱上了滑雪。他用双手从两块山核桃木板上削出的滑雪板,与4500多年前猎人使用的木制滑橇和藤条绑带没什么两样,但却带来了刺激的体验。“它们长7到8英尺,没什么弹性,”Lind说。它们让他得以滑下山坡,但几乎是九死一生。

广告

从那天起,Lind已成为美国滑雪科学方面最杰出的权威之一。作为20世纪70年代和80年代科罗拉多大学的物理学家,他教授了一门名为“雪的物理学”的受欢迎的课程,并于1996年与他的女婿Scott Sanders合著了《滑雪的物理学》。他找到了门道:如今,科学支配着这项运动的方方面面,从人造雪到更轻、更短、更灵活、更容易转弯的滑雪板。滑雪板背后的科学引发了这项运动的一场革命,几乎任何人都能在山坡上尽情驰骋。

现代滑雪的创始人是一位名叫Sondre Norheim的挪威土豆种植者。Norheim是一位富有想象力的自由式滑雪者,他习惯于从雪盖的山顶屋顶上跳下,在19世纪60年代发明了第一个脚后跟固定带。他还推广了之字形机动,这成为了高山滑雪的基础。在30度陡坡上直线滑行的滑雪者可以达到每小时150英里,但前后横穿斜坡可以控制速度。

又过了100多年才迎来了下一次重大飞跃。1989年,斯洛文尼亚的滑雪设计师借鉴了单板滑雪的经验,开始缩短滑雪板的长度,并将其设计成沙漏形。当将这些滑雪板立起来时,它们会在中间弯曲,在雪地上形成一个弧形,滑板可以沿着这个弧形滑行。弧形的半径等于滑雪板两个接触点之间距离的平方除以滑雪板最宽和最窄点之间差值的四倍。换句话说,侧切越深,转弯越急。Norheim的滑雪板只能做出半径为300英尺的弧形曲线。如今的竞速滑雪板侧切度是其四倍,能够做出半径仅为40英尺的弧形曲线。

要在直滑雪板上做出急转弯,滑雪者必须将身体重心向前并向侧面倾斜,将滑雪板尖插入雪中,并进行一系列受控的滑行。每一次滑行,滑雪者的身体都会朝向一个新的方向,直到完成弧形并再次面向前方。而使用较短的沙漏形滑雪板,滑雪者只需翻转脚踝,将滑雪板立起来。当宽大的板头和板尾插入雪中时,滑雪板中间会弯曲并开始转弯,沿着雪板边缘在雪坡上划出轨迹。与滑行相比,刻滑对体能的要求较低。而且,尽管新式滑雪板在直线滑行时速度较慢——它们的中心更深入雪中,摩擦力更大——但由于其转弯能力,总体速度更快。而且它们的稳定性与普通滑雪板一样好。

滑雪板的材料也得到了同等广泛的改进。工程师们不断努力使滑雪板更轻、更灵活,以吸收雪地上的颠簸,同时保持足够的刚性,以便在转弯时保持形状。因此,在20世纪50年代引入了金属滑雪板。如今的滑雪板,由于其更宽的板头和板尾,必须承受过去滑雪板无法承受的扭转力。大多数滑雪板现在由玻璃纤维、木材、铝合金、胶水和聚合物的夹层组成。

例如,Volant滑雪板公司使用热处理的不锈钢顶板,这种材料不易扭曲,有助于在转弯时滑雪板边缘嵌入压实的雪中。其他滑雪板制造商则在其滑雪板上铺设硬质碳纤维,碳纤维与滑雪板的纵轴呈45度交叉。K2滑雪板公司甚至尝试使用压电聚合物,这种材料在扭曲时会产生电荷。当滑雪者进行急转弯时,滑雪板中的半导体将反向电荷反馈给聚合物,从而吸收振动并帮助滑雪板边缘保持在雪面上。

每个新的雪季似乎都会带来显著的变化。例如,最近,滑雪板制造商开始宣传带有集成式固定器而非螺栓固定的滑雪板。它们在压实的雪地上非常有用,因为它们可以使滑雪板弯曲成更完美的弧形,而无需滑行。去年,一位名叫Shane McConkey的职业自由式滑雪者设计了一对形状像冲浪板的滑雪板——中间比两端更宽。McConkey意识到,在深雪中,滑雪者利用滑雪板的中间部分在雪中犁行,像在水上冲浪一样将雪推开。

就大卫·林德本人而言,他认为这项运动的未来在于能够让滑雪者在同一天征服多种地形的技术。“有些滑雪板,特别是用于野外使用的滑雪板,在底部装有张力电缆,这样你就可以根据雪况调整滑雪板的硬度或软度,”他说。尽管林德现在只在精心维护的雪道上滑雪——毕竟他已经85岁了——但他却不顾医生的建议,放松一些:“我仍然尽可能多地滑雪,”他说。“幸运的是,我已经够老了,所以大部分地方都可以免费滑雪。”

保持好奇

加入我们的列表

订阅我们的每周科学更新

查看我们的 隐私政策

订阅杂志

订阅可享封面价高达六折优惠 《发现》杂志。

订阅
广告

1篇免费文章