Page 5 - 《摩擦学学报》2021年第6期

790 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

devices for ice and snow friction testing indoors and outdoors at home and abroad, and the application of friction
mechanism research with anti-friction characteristics in sports equipment design is briefly summarized. Finally, in the
future development, more attention should be paid to the research in these directions to provide theoretical support for
the research in the field of ice and snow friction and the ice and snow sports equipment design industry in China.
Key words: ice and snow; sliding friction; mechanism; test methods; sport equipment

1 研究的背景和意义 度和压力后，将生成多种结构不同的冰晶 ，如图2所示.
[8]
新的冰晶类型在研究过程中也不断被发现，自然
在下雪或结冰的路面上，车轮胎的抓地力会降
界中我们所看到的雪和冰，主要是六方相冰(Ih)和立
低，产生打滑现象，给行车带来很大的安全隐患 [1-2] .
方相冰(Ic)，其中立方相冰(Ic)在常温常压的状态下不
“冰为什么那么滑”是1个看似简单，实则复杂的科学
稳定，很难保持自身结构. 仔细观察雪花会发现，其结
问题. 关于冰和雪的摩擦理论研究持续了一百多年，
[9]
构大部分为六角形和边缘存在锯齿的形状 . 这种现
[3]
但是在摩擦机理方面还存在很多争议 . 物理学家约
象产生的原因是空气中的水分子首先由六方相晶构
翰·杰里在1886年就提出了“压力融解说”，他认为，接
成，在空气中不断旋转，使得各个方向所处的环境状
触面积小的冰刀给予冰面很大的压力，在接触位置容
态相同，保证了雪花生长过程中的匀称性. 若把雪晶
[4]
易形成水膜，从而起到润滑作用 . “压力融解说”不是
体细分开，包括针状、扇形、片状和树突形. Shimada等 [10]
所有科学家都认同，科学家们先后还提出了“摩擦融
通过使用迈克尔逊干涉仪与反射显微镜结合更加直
[5]
[6]
解说” 和“表面融化说” ，这个问题直至今天都没有
在科学界形成统一意见. 随着拉曼光谱和冷冻电镜等 The background and significance
of the research
检测技术的发展，科学家们发现冰的晶体结构并不唯
一，在摩擦过程中不仅出现冰和水之间的相变，还会
Microscopic morphology and physical state changes
出现冰在不同相之间的变化，因此，对冰摩擦的研究 Microscopic morphology Transform
进入微纳尺度，更多的摩擦机制被提出，丰富了冰摩
擦理论，但也使得冰摩擦机理的学术统一变得越来越
困难. 雪可以被看作是冰不同相的松散混合物，因此
雪摩擦的机理更加复杂，鲜有研究者在微观尺度进行
Research status of ice-snow friction mechanism
雪摩擦研究.
Micro friction mechanism Nano friction mechanism
随着冰雪运动在全世界的普及，逐渐大众化的同
时专业化水平也在提高，冰雪运动器械的设计以及运
动员成绩提升等需求增大，促使冰雪摩擦机理方面的
研究寻求新的突破. 国内在冰雪摩擦领域理论方面研
究较少，特别是基于减摩控制的冰雪器材设计上，与 Research status of friction testing technology
[7]
国外相差甚远 . 本综述的主要目的是深入分析已有 Ice friction test method Snow friction test method
文献，用以发现冰雪与运动器材设备之间的摩擦机

制，论文结构如图1所示.

2 冰和雪的微观形态及物态变化

Sports equipment design based on the research of
2.1 冰和雪的微观形态 anti-friction characteristics
水是生活中最为常见的物质，由2个氢原子和1个 Ice sports equipment design Snow sports equipment design
氧原子组成，是最简单的化合物之一. 在不同的压力
和温度环境下，水呈现出不同形态. 当环境温度到达
相变临界点时，液态水会凝固成冰，而气态水则凝华

成小冰晶，这种无数的小冰晶不断地碰撞和生长成为 Fig. 1 Paper structure diagram of this paper
雪. 已有研究表明，在试验环境下人为地控制环境温 图 1 本文的结构示意图