安徽省靈璧縣黃灣中學 華興恒

很多人，尤其年輕人都非常喜歡溜冰，因為這種運動不僅能夠鍛煉人體的平衡能力、協(xié)調能力以及身體的柔韌性，還可以增強人的心肺功能，提高有氧運動能力。對于娛樂性的溜冰，不僅能夠使人們放松心情，加強交流，還可以獲得融入自然的樂趣。

我們從各種冬季運動會上，可以看到冰上運動員矯健的身影、優(yōu)美的舞姿。他們在冰面上快速前進，不時靈活地轉彎，還常常翩翩起舞，特別是男女花樣溜冰，更是舞姿優(yōu)美，令人眼花繚亂、心曠神怡。這其中有何奧秘呢？原來這都是小小的冰刀在起著重要的作用。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，但在光滑的玻璃上卻是寸步難行，這是什么原因呢？

有些人是這樣解釋這個問題的：這是因為冰刀在與冰面摩擦的過程中，要克服摩擦力做功，機械能轉化為內能，因而會產生一些熱量，這就使得與冰刀接觸的冰因此而融化變成了水，從而起到了潤滑作用，使得摩擦力大大地減小了，所以穿著帶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，這是因為玻璃不能熔化變成“玻璃水”的緣故。事實果真是這樣的嗎？

上述解釋其實并不完全禁得住推敲。這是因為冰刀在冰面上滑行時受到的摩擦力還是非常小的，僅靠摩擦產生的那一點熱量，是不可能在這樣短暫的時間里使冰融化的（冰融化要有一個過程，并且冰在融化的過程中需要吸收大量的熱）。

滑冰運動員在冰面上滑行時，冰刀的兩側及其下面確實有那么一點水，那么這點起到潤滑作用的水到底是怎樣產生的，又是如何存在的呢？同學們都知道，在通常情況下（1個標準大氣壓）冰的熔點是0 ℃，當外界的壓強減小時，冰的熔點會隨之升高；當外界壓強增大時，冰的熔點也就會隨之降低。如果根據這一理論解釋上述問題，就會有下面的解釋。

為了減小冰面對溜冰鞋的摩擦阻力，提高運動員滑行的速度及靈活性，滑冰運動員通常要穿帶有冰刀的鞋子。如果大家仔細觀察就會發(fā)現(xiàn)，溜冰鞋上冰刀的刃口很窄，普通冰刀的刀刃只有2 mm寬，花樣冰刀的刀刃也不過4 mm 寬，因此冰刀與冰面的接觸面積是非常小的。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自身的重力。當運動員穿上溜冰鞋時，由于冰面的受力面積減小了，因而冰面受到的壓強就會大大地增加，這對快速溜冰能夠起到什么作用呢？

穿著溜冰鞋的運動員在滑行時，由于冰刀對冰面產生的壓強很大，這迫使冰刀下面的冰的熔點下降，從而使得這部分冰融化，于是在冰刀的周圍就會有一層薄薄的水包圍著冰刀。正是由于這層薄薄的水起到了潤滑作用，因而大大地減小了冰刀與冰面之間的摩擦，這樣也就減小了滑冰運動員在前進過程中所受到的摩擦阻力，所以滑冰運動員可以在冰面上健步如飛，同時可以隨心所欲地做出各種優(yōu)美的動作。

當冰刀滑過之后，由于這個附加的壓強便隨之消失，因此只要外界的溫度在0 ℃以下，原來在冰刀作用下融化成的水馬上又會結冰。更為奇妙有趣的是，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一個模擬實驗來予以說明。當環(huán)境溫度不高于0 ℃時（保證冰不會因為環(huán)境溫度高而融化），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。大家會看到這種奇特的現(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地向下移動。而細鐵絲剛剛經過的上方的水，又會因壓強減小而結冰，最終細鐵絲會從整個冰塊中穿過，而冰塊卻完好如初。

上述解釋看似完美無缺，可是實際的計算結果表明，當一個質量為70 kg的人穿著溜冰鞋站在冰面上時，只能對冰面產生3.5×105Pa的壓強，這樣的壓強對冰的熔點影響并不是很大，只能使冰的熔點下降0.1 ℃左右。因此上述解釋也就不能令人完全信服。

當對上述問題的解釋出現(xiàn)新的困難時，一種新的理論又隨之誕生了。科學家們通過實驗研究發(fā)現(xiàn)冰上有水，可是也有不少科學家對這種理論持懷疑態(tài)度。有鑒于此，另一種聽起來非常簡單的解釋出現(xiàn)了：冰的表面原本就非常平滑，并且當冰的溫度在-22℃以上時，冰的表面上始終會有一層薄薄的永遠不會凝固的水。

早在1850年，英國著名的物理學家邁克爾·法拉第就曾簡單地提出過這種理論。1996年，美國的科學家通過實驗又證明了這一理論。勞倫斯柏克利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，同時使用儀器記錄了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，冰之所以滑的原因只可能是冰面的最上層并沒有真正冷凝，而是有薄薄的一層水。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。這樣冰面的摩擦力就會變得更小，所以也就會更滑了。

這兩位科學家還發(fā)現(xiàn)，當溫度降到-22 ℃以下時，冰面的平滑性能就開始大大降低。這是因為在這樣的溫度條件下，具有潤滑功能的薄水層幾乎消失殆盡，冰面的平滑性也就會顯著降低，其平滑性與其他固體也就沒有什么不同了。薩姆教授表示，冰面最上層有永久性的薄水層，這是冰的特性。他認為，即使克服摩擦力做功而產生熱量，冰面依舊很滑很滑。