快速溜冰有奧秘

華興恒

在很多冬季運動項目中，都可以看到溜冰運動員矯健的身影、優(yōu)美的舞姿，他們不僅可以快速前進、靈活轉彎，而且能夠翩翩起舞，令人賞心悅目。運動員們?yōu)楹文軌蛟诒嫔先绱俗匀?，這其中有何奧秘呢？

不知大家可曾想過，運動員穿著帶有冰刀的溜冰鞋，雖然可以在光滑的冰面上快速滑行，在光滑的玻璃上卻寸步難行。這是為什么呢？

對于這個問題，有些人給出的解釋是：冰刀與冰面在摩擦過程中，需要克服摩擦力做功。在這一過程中，機械能轉化為內能，因而會產生一些熱量，致使與冰刀接觸的冰融化，變成了水，這些水在一定程度上起到了潤滑作用，導致冰面與冰刀間的摩擦力大大減小，所以，穿著帶有冰刀的鞋子可以在冰面上快速滑行，卻不能在玻璃上滑行，因為玻璃是不能熔化變成“水”的。事實果真如此嗎？

上述解釋并不全面。因為冰刀在冰面上滑行時所受到的摩擦力很小，僅靠摩擦產生的那點熱量，不足以在很短的時間內使冰融化，畢竟融化需要有一個過程，并且冰在融化過程中還需要吸收大量熱量。

滑冰運動員在冰面上滑行時，冰刀兩側及其下面確實會有那么一點水，這些起到潤滑作用的水到底是怎樣產生的，又是如何存在的呢？

大家都知道，在1個標準大氣壓下，冰的熔點是0℃；當外界壓強減小時，冰的熔點會隨之升高；當外界壓強增大時，冰的熔點也會隨之降低。根據(jù)這一理論解釋上述問題，就有了下面的答案。

為減小冰面對溜冰鞋的摩擦阻力，提高運動員的滑行速度及靈活性，溜冰運動員通常要穿帶有冰刀的鞋子，并且鞋上的冰刀刃口很窄，普通冰刀的刀刃只有2毫米寬，花樣冰刀的刀刃也不過4毫米寬，因此冰刀與冰面的接觸面積很小。由于運動員對冰面的壓力是一定的，這個壓力的大小就等于運動員的體重。當運動員穿上冰鞋時，由于冰面的受力面積較小，因而冰面受到的壓強會大大增加，迫使冰刀下面的冰的熔點下降，從而使得這部分冰融化，于是在冰刀周圍就會有一層薄薄的水。正是由于這層薄薄的水起到了潤滑作用，大大減小了冰刀與冰面之間的摩擦力，使得運動員在冰面上前進的摩擦阻力相對減小，所以，運動員可以在冰面上健步如飛，同時還能隨心所欲地表演各種優(yōu)美的動作。

當冰刀滑過之后，冰面上附加的壓強隨之消失，因此，只要外界溫度在0℃以下，原本融化成的水馬上又會結冰。更為奇妙的是，冰刀滑過之處還不會在冰面上留下劃痕。

對于這一解釋還可以用模擬實驗予以說明。當環(huán)境溫度不高于0℃時（保證冰不會因為周圍環(huán)境溫度而融化），在桌面上放置一塊冰，將兩端掛有重物的細鐵絲搭在冰塊上，大家會看到這樣一個奇特的現(xiàn)象：細鐵絲下面的冰，由于受到的壓強較大而逐漸融化，從而使得鐵絲在冰塊中不斷向下移動。而細鐵絲剛剛經過的上方的水，又會因壓強減小的緣故而結冰，最終，細鐵絲會從整個冰塊中間穿過，而冰塊完好如初。

上述解釋看似完美無缺，可實際的計算結果表明，當一個質量為70千克的人穿著冰鞋站在冰面上時，只能對冰面產生3.5 × 105 帕的壓強，這樣的壓強對冰的熔點的影響不算很大，只能使冰的熔點下降約0.1℃。因此，該解釋不能令人完全信服。

之后，人們提出了一種新的理論。科學家通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，冰上有水。具體來說，就是冰的表面原本非常平滑，并且當冰面溫度在-22℃以上時，其表面始終會有一層薄薄的永遠不會凝固的水。

早在1850年，英國著名物理學家邁克爾·法拉第就曾簡單地提出過這一理論。1996年，美國科學家通過實驗證明了該理論。勞倫斯伯克利國家實驗室的化學家薩姆和物理學家胡佛，利用電子束轟擊冰面，同時使用儀器記錄從冰面彈回的電子的運動方向和速度。出乎意料的是，電子撞擊到冰面后彈回的軌道似乎是變化不定的，沿多個方向散亂地反彈開來。這說明看起來平滑的冰面并不是完全平整的。

薩姆認為，從實驗結果看，冰面之所以較滑，只可能是由于冰面最上層并沒有真正冷凝，而是有薄薄一層水。這層水起著永久性潤滑劑的作用。當冰刀等物體壓到冰面時，水分子就會被壓到冰面的細微縫隙處，從而使冰的表面非常平滑。這樣一來，冰面的摩擦力就會變得更小，所以冰面上的冰刀也就會更滑了。

兩位科學家還發(fā)現(xiàn)，當冰面溫度降到-22℃以下時，其表面的平滑性會大幅降低。這是因為在如此低的溫度條件下，具有潤滑功能的薄水層幾乎消失殆盡，冰面的平滑性也隨之顯著降低，與其他固體基本沒什么兩樣。