快速溜冰有奥秘

安徽省灵璧县黄湾中学 华兴恒

很多人，尤其年轻人都非常喜欢溜冰，因为这种运动不仅能够锻炼人体的平衡能力、协调能力以及身体的柔韧性，还可以增强人的心肺功能，提高有氧运动能力。对于娱乐性的溜冰，不仅能够使人们放松心情，加强交流，还可以获得融入自然的乐趣。

我们从各种冬季运动会上，可以看到冰上运动员矫健的身影、优美的舞姿。他们在冰面上快速前进，不时灵活地转弯，还常常翩翩起舞，特别是男女花样溜冰，更是舞姿优美，令人眼花缭乱、心旷神怡。这其中有何奥秘呢？原来这都是小小的冰刀在起着重要的作用。不知大家可曾想过：运动员穿着带有冰刀的溜冰鞋，虽然可以在光滑的冰面上快速滑行，但在光滑的玻璃上却是寸步难行，这是什么原因呢？

有些人是这样解释这个问题的：这是因为冰刀在与冰面摩擦的过程中，要克服摩擦力做功，机械能转化为内能，因而会产生一些热量，这就使得与冰刀接触的冰因此而融化变成了水，从而起到了润滑作用，使得摩擦力大大地减小了，所以穿着带有冰刀的鞋子可以在冰面上快速滑行；而想在玻璃上滑行就不行了，这是因为玻璃不能熔化变成“玻璃水”的缘故。事实果真是这样的吗？

上述解释其实并不完全禁得住推敲。这是因为冰刀在冰面上滑行时受到的摩擦力还是非常小的，仅靠摩擦产生的那一点热量，是不可能在这样短暂的时间里使冰融化的（冰融化要有一个过程，并且冰在融化的过程中需要吸收大量的热）。

滑冰运动员在冰面上滑行时，冰刀的两侧及其下面确实有那么一点水，那么这点起到润滑作用的水到底是怎样产生的，又是如何存在的呢？同学们都知道，在通常情况下（1个标准大气压）冰的熔点是0 ℃，当外界的压强减小时，冰的熔点会随之升高；当外界压强增大时，冰的熔点也就会随之降低。如果根据这一理论解释上述问题，就会有下面的解释。

为了减小冰面对溜冰鞋的摩擦阻力，提高运动员滑行的速度及灵活性，滑冰运动员通常要穿带有冰刀的鞋子。如果大家仔细观察就会发现，溜冰鞋上冰刀的刃口很窄，普通冰刀的刀刃只有2 mm宽，花样冰刀的刀刃也不过4 mm 宽，因此冰刀与冰面的接触面积是非常小的。由于运动员对冰面的压力是一定的，这个压力的大小就等于运动员自身的重力。当运动员穿上溜冰鞋时，由于冰面的受力面积减小了，因而冰面受到的压强就会大大地增加，这对快速溜冰能够起到什么作用呢？

穿着溜冰鞋的运动员在滑行时，由于冰刀对冰面产生的压强很大，这迫使冰刀下面的冰的熔点下降，从而使得这部分冰融化，于是在冰刀的周围就会有一层薄薄的水包围着冰刀。正是由于这层薄薄的水起到了润滑作用，因而大大地减小了冰刀与冰面之间的摩擦，这样也就减小了滑冰运动员在前进过程中所受到的摩擦阻力，所以滑冰运动员可以在冰面上健步如飞，同时可以随心所欲地做出各种优美的动作。

当冰刀滑过之后，由于这个附加的压强便随之消失，因此只要外界的温度在0 ℃以下，原来在冰刀作用下融化成的水马上又会结冰。更为奇妙有趣的是，冰刀滑过之处还不会在冰面上留下划痕。

对于这一解释还可以用一个模拟实验来予以说明。当环境温度不高于0 ℃时（保证冰不会因为环境温度高而融化），在桌面上放置一块冰，将两端挂有重物的细铁丝搭在冰块上。大家会看到这种奇特的现象：细铁丝下面的冰，由于受到的压强较大而逐渐融化，从而使得铁丝在冰块中不断地向下移动。而细铁丝刚刚经过的上方的水，又会因压强减小而结冰，最终细铁丝会从整个冰块中穿过，而冰块却完好如初。

上述解释看似完美无缺，可是实际的计算结果表明，当一个质量为70 kg的人穿着溜冰鞋站在冰面上时，只能对冰面产生3.5×105Pa的压强，这样的压强对冰的熔点影响并不是很大，只能使冰的熔点下降0.1 ℃左右。因此上述解释也就不能令人完全信服。

当对上述问题的解释出现新的困难时，一种新的理论又随之诞生了。科学家们通过实验研究发现冰上有水，可是也有不少科学家对这种理论持怀疑态度。有鉴于此，另一种听起来非常简单的解释出现了：冰的表面原本就非常平滑，并且当冰的温度在-22℃以上时，冰的表面上始终会有一层薄薄的永远不会凝固的水。

早在1850年，英国著名的物理学家迈克尔·法拉第就曾简单地提出过这种理论。1996年，美国的科学家通过实验又证明了这一理论。劳伦斯柏克利实验室的化学家萨姆和物理学家胡佛，利用电子束轰击冰面，同时使用仪器记录了从冰面弹回的电子的运动方向和速度。出乎意料的是，电子撞击到冰面后弹回的轨道似乎是变化不定的，沿多个方向散乱地反弹开来。这说明看起来平滑的冰面并不是完全平整的。

萨姆认为，从实验结果看，冰之所以滑的原因只可能是冰面的最上层并没有真正冷凝，而是有薄薄的一层水。这层水起着永久性润滑剂的作用。当冰刀等物体压到冰面时，水分子就会被压到冰面的细微缝隙处，从而使冰的表面非常平滑。这样冰面的摩擦力就会变得更小，所以也就会更滑了。

这两位科学家还发现，当温度降到-22 ℃以下时，冰面的平滑性能就开始大大降低。这是因为在这样的温度条件下，具有润滑功能的薄水层几乎消失殆尽，冰面的平滑性也就会显著降低，其平滑性与其他固体也就没有什么不同了。萨姆教授表示，冰面最上层有永久性的薄水层，这是冰的特性。他认为，即使克服摩擦力做功而产生热量，冰面依旧很滑很滑。