滑冰滾雪球 科學(xué)揭奧秘

華興恒

又是一年冬來到，你是不是又在期待窗外的漫天雪花和千姿百態(tài)的冰雪美景？可你是否注意過這些問題，雪球?yàn)槭裁磿?huì)越滾越大？滑冰為什么要穿上裝有冰刀的冰鞋？當(dāng)你有機(jī)會(huì)玩雪、滑冰、欣賞雪景的時(shí)候，可別忘了想想它們背后的科學(xué)知識(shí)哦！

先玩一個(gè)割冰塊的魔術(shù)

大家在學(xué)習(xí)熱學(xué)知識(shí)的過程中，經(jīng)常會(huì)聽到這樣的說法，“冰的熔點(diǎn)是0℃”。其實(shí)這個(gè)結(jié)論是有條件的，即只有在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)才是0℃。由此可知，晶體熔點(diǎn)的高低會(huì)受到壓強(qiáng)的影響。若晶體熔化時(shí)體積膨脹，則它的熔點(diǎn)就隨著壓強(qiáng)的增大而升高;反之，若晶體熔化時(shí)體積縮小，則它的熔點(diǎn)就隨著壓強(qiáng)的增大而降低。因此，如果壓強(qiáng)改變了，那么冰的熔點(diǎn)也就會(huì)隨之改變。因?yàn)楸谌诨倪^程中，其體積是減小的，因此當(dāng)壓強(qiáng)大于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，冰的熔點(diǎn)就低于0℃;當(dāng)壓強(qiáng)小于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，冰的熔點(diǎn)就高于0℃。冰的熔點(diǎn)隨壓強(qiáng)增大而降低，可通過下面的一個(gè)比較有趣的實(shí)驗(yàn)顯示出來。

取一塊形狀近似為長(zhǎng)方體的冰塊，把它放在支架上，將一根細(xì)鋼絲橫跨在冰塊上，在鋼絲的下端分別掛上重物，然后我們耐心仔細(xì)地觀察，會(huì)看到一個(gè)非常奇妙的現(xiàn)象：鋼絲會(huì)逐漸嵌入冰塊之中，并且緩慢地向下移動(dòng)，最后鋼絲會(huì)從冰塊下面脫出，而冰塊并未被切割成兩塊，并且鋼絲經(jīng)過的地方完好如初。

冰塊為什么會(huì)“割”而不斷呢？原來這都是壓強(qiáng)玩的“小把戲”。由于鋼絲下面吊有重物，使得鋼絲下的冰受到的壓強(qiáng)明顯地增大了，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣壓，這就使得此處冰的熔點(diǎn)降低，從而緩慢地融化成水，因此鋼絲也就會(huì)緩慢地向下移動(dòng)。在鋼絲下移的過程中，它上面縫隙里的水又處于大氣壓下，其凝固點(diǎn)是0℃，同時(shí)鋼絲下面被壓的冰融化時(shí)要從周圍吸收熱量，鋼絲上面的這部分水放出熱量，溫度就會(huì)降低到0℃以下，因而又會(huì)重新凍結(jié)，就使得被鋼絲切開的冰又連接在一起。就這樣冰塊雖然被慢慢地“切割”下去，但是通過融化、結(jié)冰這樣反復(fù)不斷的過程，冰塊還是會(huì)完好如初。

大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明：壓強(qiáng)每增大一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，冰的熔點(diǎn)約降低0.0075℃。用這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可以解釋以下日常生活中常見的兩個(gè)比較有趣的實(shí)際問題。

雪球?yàn)槭裁丛綕L越大？

大家都知道，冰雪的熔點(diǎn)只有在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下才是0℃，如果壓強(qiáng)增大，它的熔點(diǎn)就會(huì)降低。當(dāng)我們把疏松的雪壓緊時(shí)，這樣就加大了雪片之間的壓力，雪的熔點(diǎn)會(huì)因此而下降。在0℃以下時(shí)，雪照樣可以融化成水，附著在雪團(tuán)的下面。當(dāng)雪團(tuán)滾動(dòng)后，附著在雪團(tuán)下面的水，因雪團(tuán)的翻轉(zhuǎn)到了側(cè)面，從而使得其所受的壓力減小，隨著壓力的減小，這些水便會(huì)迅速地結(jié)成冰，從而使雪球變大。隨著雪球不斷地在雪地上滾動(dòng)，雪團(tuán)下的雪被壓融化，減壓后又會(huì)結(jié)冰，與雪球結(jié)合在一起。就這樣，隨著雪球的不斷滾動(dòng)，與雪球接觸的雪片不斷地重復(fù)著“融化、附著、結(jié)冰”這樣的變化過程，因此雪球也就會(huì)越滾越大了。

滑冰運(yùn)動(dòng)員為何能快速滑行？

大家都知道，滑冰運(yùn)動(dòng)員的冰鞋上都裝有冰刀，僅從表面上看是為了減小受力面積，其實(shí)更深層的作用，則是為了提高滑行的速度。同學(xué)們，你知道其中的奧秘嗎？下面我們就一起來揭開這層神秘的“面紗”吧！

滑冰運(yùn)動(dòng)員穿的冰鞋上都帶有冰刀，刀與冰面之間有一定的摩擦。由于冰刀與冰面之間的接觸面積很小，因而它對(duì)冰面的壓強(qiáng)就會(huì)顯著地增大，從而使接觸處冰的熔點(diǎn)降低，此處的冰在0℃以下照樣可以融化成水，這樣就在冰刀的周圍形成了一層薄薄的水。這就相當(dāng)于在冰刀前進(jìn)的道路上涂抹了一層潤(rùn)滑劑，使得冰刀與冰之間的摩擦力極大地減小了，所以滑冰運(yùn)動(dòng)員可以在冰面上急速如飛了。

冰鞋上的冰刀有大講究

下面我們對(duì)冰刀再做進(jìn)一步的探討。在滑冰、滑雪、步行的過程中，我們之所以能夠前進(jìn)，都必須對(duì)地面施加一個(gè)作用力，利用地面對(duì)我們的反作用力，來為我們前進(jìn)提供動(dòng)力，至少是起動(dòng)的力。而當(dāng)我們運(yùn)動(dòng)起來之后，就要盡量減少前進(jìn)過程中所受到的阻力，同時(shí)還要靠調(diào)整姿態(tài)或與地面的摩擦力來調(diào)整運(yùn)動(dòng)的方向。

滑冰時(shí)，運(yùn)動(dòng)員要用冰刀蹬冰，要蹬冰就只有用冰刀的刃用力地去“啃”冰，因此刀刃必須要做得很薄、很鋒利，這樣對(duì)冰面的壓強(qiáng)就可以增大到很大，只有這樣才可以獲得較大的力。不過要注意的是，滑冰時(shí)重心必須放在前進(jìn)的腳上，只有這樣，另一只腳才可以做各種動(dòng)作，比如蹬冰前進(jìn)、調(diào)整方向和做各種優(yōu)雅美妙的動(dòng)作。因此重心所在的那只腳上，冰刀必須與前進(jìn)的方向一致。熟練的運(yùn)動(dòng)員可以巧妙地掌握冰刀與冰面接觸的位置，要蹬冰或轉(zhuǎn)彎時(shí)，盡量利用鋒利的刀刃“啃”冰，而滑行時(shí)則盡量避免更多地“啃”冰，以減小摩擦阻力，從而能夠快速前進(jìn)。

還有一個(gè)比較有趣的現(xiàn)象，冰刀在冰塊上劃過之后，總會(huì)留下一道白色的痕跡。這是冰刀刻出來的?；倪^程很微妙，沒有刻痕不行，刻痕太重了也不行，做各種不同的動(dòng)作留下的刻痕也不同。顯然運(yùn)動(dòng)員前進(jìn)時(shí)，沒有刻痕就不能控制方向。

速滑、花樣滑冰及打冰球?qū)?dòng)作的要求也是各不相同的，因此冰刀的形狀也就各異，刀刃的形狀也干差萬別。速滑要盡量減小摩擦以保證更快的速度，因而冰刀都比較長(zhǎng)，只有在轉(zhuǎn)彎時(shí)利用刀刃“啃”冰，刀刃形如桌子的棱角，是900的。而打冰球時(shí)要頻繁起動(dòng)、停止、左躲右閃、轉(zhuǎn)動(dòng)騰挪，冰刀就要短一些，刀刃要鋒利一些，槽要深一些?；踊\(yùn)動(dòng)員離不開旋轉(zhuǎn)翻飛和翩翩的舞姿，動(dòng)作要求是幅度要小、速度要快、動(dòng)作要靈活、變化要多樣，而不要求直線運(yùn)動(dòng)速度，因此冰刀要短，刀槽要深，刀刃要鋒利，為了適應(yīng)花樣滑冰的急轉(zhuǎn)急停，除了鋒利的刀刃，還要在冰刀的前端加一排齒，以便更好、更有效地控制動(dòng)作，使得動(dòng)作更加優(yōu)美、流暢、揮灑自如，從而提高觀賞性。