華興恒

在很多冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，都可以看到溜冰運(yùn)動(dòng)員矯健的身影、優(yōu)美的舞姿，他們不僅可以快速前進(jìn)、靈活轉(zhuǎn)彎，而且能夠翩翩起舞，令人賞心悅目。運(yùn)動(dòng)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(guò)，運(yùn)動(dòng)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(duì)于這個(gè)問(wèn)題，有些人給出的解釋是：冰刀與冰面在摩擦過(guò)程中，需要克服摩擦力做功。在這一過(guò)程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，因而會(huì)產(chǎn)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(rùn)滑作用，導(dǎo)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?yàn)椴Ａ遣荒苋刍兂伞八钡?。事?shí)果真如此嗎？

上述解釋并不全面。因?yàn)楸对诒嫔匣袝r(shí)所受到的摩擦力很小，僅靠摩擦產(chǎn)生的那點(diǎn)熱量，不足以在很短的時(shí)間內(nèi)使冰融化，畢竟融化需要有一個(gè)過(guò)程，并且冰在融化過(guò)程中還需要吸收大量熱量。

滑冰運(yùn)動(dòng)員在冰面上滑行時(shí)，冰刀兩側(cè)及其下面確實(shí)會(huì)有那么一點(diǎn)水，這些起到潤(rùn)滑作用的水到底是怎樣產(chǎn)生的，又是如何存在的呢？

大家都知道，在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)是0℃；當(dāng)外界壓強(qiáng)減小時(shí)，冰的熔點(diǎn)會(huì)隨之升高；當(dāng)外界壓強(qiáng)增大時(shí)，冰的熔點(diǎn)也會(huì)隨之降低。根據(jù)這一理論解釋上述問(wèn)題，就有了下面的答案。

為減小冰面對(duì)溜冰鞋的摩擦阻力，提高運(yùn)動(dòng)員的滑行速度及靈活性，溜冰運(yùn)動(dòng)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(guò)4毫米寬，因此冰刀與冰面的接觸面積很小。由于運(yùn)動(dòng)員對(duì)冰面的壓力是一定的，這個(gè)壓力的大小就等于運(yùn)動(dòng)員的體重。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員穿上冰鞋時(shí)，由于冰面的受力面積較小，因而冰面受到的壓強(qiáng)會(huì)大大增加，迫使冰刀下面的冰的熔點(diǎn)下降，從而使得這部分冰融化，于是在冰刀周?chē)蜁?huì)有一層薄薄的水。正是由于這層薄薄的水起到了潤(rùn)滑作用，大大減小了冰刀與冰面之間的摩擦力，使得運(yùn)動(dòng)員在冰面上前進(jìn)的摩擦阻力相對(duì)減小，所以，運(yùn)動(dòng)員可以在冰面上健步如飛，同時(shí)還能隨心所欲地表演各種優(yōu)美的動(dòng)作。

當(dāng)冰刀滑過(guò)之后，冰面上附加的壓強(qiáng)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(huì)結(jié)冰。更為奇妙的是，冰刀滑過(guò)之處還不會(huì)在冰面上留下劃痕。

對(duì)于這一解釋還可以用模擬實(shí)驗(yàn)予以說(shuō)明。當(dāng)環(huán)境溫度不高于0℃時(shí)（保證冰不會(huì)因?yàn)橹車(chē)h(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(xì)鐵絲搭在冰塊上，大家會(huì)看到這樣一個(gè)奇特的現(xiàn)象：細(xì)鐵絲下面的冰，由于受到的壓強(qiáng)較大而逐漸融化，從而使得鐵絲在冰塊中不斷向下移動(dòng)。而細(xì)鐵絲剛剛經(jīng)過(guò)的上方的水，又會(huì)因壓強(qiáng)減小的緣故而結(jié)冰，最終，細(xì)鐵絲會(huì)從整個(gè)冰塊中間穿過(guò)，而冰塊完好如初。

上述解釋看似完美無(wú)缺，可實(shí)際的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)一個(gè)質(zhì)量為70千克的人穿著冰鞋站在冰面上時(shí)，只能對(duì)冰面產(chǎn)生3.5 × 105 帕的壓強(qiáng)，這樣的壓強(qiáng)對(duì)冰的熔點(diǎn)的影響不算很大，只能使冰的熔點(diǎn)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?？茖W(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，冰上有水。具體來(lái)說(shuō)，就是冰的表面原本非常平滑，并且當(dāng)冰面溫度在-22℃以上時(shí)，其表面始終會(huì)有一層薄薄的永遠(yuǎn)不會(huì)凝固的水。

早在1850年，英國(guó)著名物理學(xué)家邁克爾·法拉第就曾簡(jiǎn)單地提出過(guò)這一理論。1996年，美國(guó)科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該理論。勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家薩姆和物理學(xué)家胡佛，利用電子束轟擊冰面，同時(shí)使用儀器記錄從冰面彈回的電子的運(yùn)動(dòng)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(gè)方向散亂地反彈開(kāi)來(lái)。這說(shuō)明看起來(lái)平滑的冰面并不是完全平整的。

薩姆認(rèn)為，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，冰面之所以較滑，只可能是由于冰面最上層并沒(méi)有真正冷凝，而是有薄薄一層水。這層水起著永久性潤(rùn)滑劑的作用。當(dāng)冰刀等物體壓到冰面時(shí)，水分子就會(huì)被壓到冰面的細(xì)微縫隙處，從而使冰的表面非常平滑。這樣一來(lái)，冰面的摩擦力就會(huì)變得更小，所以冰面上的冰刀也就會(huì)更滑了。

兩位科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冰面溫度降到-22℃以下時(shí)，其表面的平滑性會(huì)大幅降低。這是因?yàn)樵谌绱说偷臏囟葪l件下，具有潤(rùn)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(méi)什么兩樣。