滑冰作為冬季的傳統(tǒng)戶(hù)外項(xiàng)目，每年都能吸引很多人參與其中。但你有沒(méi)有想過(guò)，為什么冰面會(huì)這么滑呢?
冰面自帶天然潤(rùn)滑劑
問(wèn)起冰為什么那么滑，可能有些人會(huì)不假思索地回答：“因?yàn)楸孀銐蚬饣?”
這個(gè)解釋或許有幾分道理，可真正滑過(guò)冰的人一定知道，戶(hù)外的冰面往往很粗糙，根本就不光滑。但奇怪的是，只要稍不留神，走在冰面上就能摔一跤。不必說(shuō)室外冰場(chǎng)，就算是冬天路邊一攤積水結(jié)成的碎冰碴子，也能瞬間把人放倒。
另外一個(gè)例子也能證明，這樣的解釋是不合理的。
酒店里潔凈的大理石地板要比天然冰面光滑得多，可人們依舊能在上面健步如飛，不用像在冰面上那樣小心翼翼。
那么，到底是什么讓冰面如此光滑?
其實(shí)，想讓物體變滑，只需薄薄一層潤(rùn)滑劑即可，它可以是水、蠟、礦物油，也可以是細(xì)砂粒、石墨粉。潤(rùn)滑劑能大大降低物體間的摩擦。而水就是冰面自帶的天然潤(rùn)滑劑。當(dāng)我們站在冰面上時(shí)，腳部并不與冰面直接接觸，而是隔著一層具有流動(dòng)性的水膜。
冰面上的水從何而來(lái)
講到這里，冰面為什么滑的問(wèn)題已經(jīng)解釋完了，但仍有一個(gè)問(wèn)題未被解決——冰面上的水從何而來(lái)?
我們都知道，冰在零攝氏度時(shí)才會(huì)融化。上個(gè)月北京室外溫度可達(dá)零下五六度，甚至還曾低至零下十多度，這個(gè)溫度顯然不足以讓冰表面融化。
其實(shí)，“冰在零攝氏度時(shí)會(huì)融化”并不準(zhǔn)確，它忽略了一個(gè)重要的前提，即只有在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)才為零攝氏度。
早在1850年，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)增加壓強(qiáng)會(huì)使冰的熔點(diǎn)降低。第一個(gè)把這個(gè)規(guī)律和滑冰聯(lián)系起來(lái)的人是愛(ài)爾蘭物理學(xué)家約翰·喬利。
他認(rèn)為，當(dāng)人站在冰面上時(shí)，身體對(duì)冰面產(chǎn)生的壓強(qiáng)會(huì)使冰的熔點(diǎn)低于零攝氏度，讓冰的表面融化，形成一層具有潤(rùn)滑作用的水膜，使冰面變滑。人如果穿上有薄薄冰刀的滑冰鞋，那么施加在冰上的壓強(qiáng)會(huì)更大，熔點(diǎn)就會(huì)下降得更多。
據(jù)約翰·喬利的計(jì)算，穿著冰鞋的成年人會(huì)給冰表面施加超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓400多倍的壓強(qiáng)，能使冰的熔點(diǎn)降到-3.5攝氏度。
“冰面上的水從何而來(lái)”的問(wèn)題似乎被完美地解決了，但總有一些不對(duì)勁的地方。入冬后，我國(guó)東北地區(qū)的氣溫能達(dá)到零下幾十度，按照約翰·喬利的理論，東北的冰面應(yīng)該不會(huì)融化，不會(huì)讓人滑倒，也很難在上面滑行。然而事實(shí)并非如此，在冰面上“滑刺溜”是東北日常冬季活動(dòng)之一。
且不說(shuō)東北，一般花樣滑冰場(chǎng)冰面的最佳溫度約為-5.5攝氏度，且花樣滑冰鞋上的冰刀很厚，絕大多數(shù)情況下運(yùn)動(dòng)員也是身輕如燕，約翰·喬利的理論完全無(wú)法對(duì)其進(jìn)行解釋。
更尷尬的是，約翰·喬利在其實(shí)驗(yàn)中，將冰刀與冰面的接觸面積設(shè)定為0.02平方英寸。
但事實(shí)上冰刀是很厚的，接觸面積要遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)，這意味著冰面被施加的壓強(qiáng)可能遠(yuǎn)不足以讓熔點(diǎn)下降得如此之多。曾有人實(shí)驗(yàn)測(cè)算，一個(gè)70公斤的人站在冰刀上，只能讓冰的熔點(diǎn)降低0.017攝氏度。
1939年，弗蘭克·鮑登和T·P·休斯提出，是鞋底或冰刀與冰面之間摩擦產(chǎn)生的熱量，促使冰面融化，形成了一層水膜。
經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，他們認(rèn)為相比于壓強(qiáng)，摩擦是使冰表面融化的主要因素。為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論，他們甚至將實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在了海拔3346米的冰冷山洞中，還動(dòng)用了干冰、液化氣體等制冷技術(shù)。
然而，他們二人的解釋并未讓學(xué)界滿(mǎn)意。
此時(shí)，一個(gè)念頭在人們腦中產(chǎn)生：會(huì)不會(huì)冰的表面本身就存在著一層水呢?
20世紀(jì)中期，隨著固體物理與材料科學(xué)的進(jìn)步，以及材料探測(cè)技術(shù)手段的更新，人們發(fā)現(xiàn)在冰的表面天然存在一層介乎于水與冰之間、具有流動(dòng)性的表面態(tài)物質(zhì)。
它并非是冰融化后形成的水，即便溫度低于熔點(diǎn)，這層物質(zhì)也能存在，一些學(xué)者將其稱(chēng)為“準(zhǔn)液體層”。它的厚度和溫度有關(guān)，溫度低于熔點(diǎn)越多，這層準(zhǔn)液體就越薄。
1987年，科學(xué)家利用X射線衍射“看”到了冰表面的微觀結(jié)構(gòu)，證實(shí)了冰表面確實(shí)存在著一層準(zhǔn)液體。
進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)家們用非線性光學(xué)的方法進(jìn)一步研究了冰表面準(zhǔn)液體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。還有一些研究團(tuán)隊(duì)用分子動(dòng)力學(xué)方法拿計(jì)算機(jī)模擬了冰表面水分子的排列方式，甚至模擬出了水分子如何在冰表面“跑來(lái)跑去”。
但這些水分子就是潤(rùn)滑劑嗎?生活中的潤(rùn)滑劑通常是油狀的、膏狀的，很少看見(jiàn)像水一樣質(zhì)地的。潤(rùn)滑劑不僅要有很好的流動(dòng)性，通常還要有一定的彈性和黏度。
發(fā)表于《自然》雜志的一項(xiàng)研究顯示，科學(xué)家們用一個(gè)類(lèi)似音叉的裝置和毫米級(jí)的玻璃珠巧妙地測(cè)量了這層準(zhǔn)液體的力學(xué)特性。音叉振動(dòng)帶動(dòng)小玻璃珠在冰面滑移，加速計(jì)則捕捉到這一過(guò)程中玻璃珠的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這層準(zhǔn)液體可以被看作是水和微小碎冰的混合物，它的黏性比水大得多，如同油一般，同時(shí)也具有接近固態(tài)冰的彈性。合適的黏性與彈性使得冰表面的準(zhǔn)液體甚至比水的潤(rùn)滑效果還好，這也就解釋了為什么冰面比潑了水的光滑地板還滑。
就此，“冰為什么滑”這個(gè)問(wèn)題有了較為完整的解釋。
說(shuō)了這么多，想必很多人已經(jīng)按捺不住，想馬上去冰場(chǎng)一展風(fēng)采了。別著急，最后提醒大家，一定要在正規(guī)冰場(chǎng)滑冰，同時(shí)佩戴好必要的護(hù)具，注意自身安全。(來(lái)源：數(shù)字北京科學(xué)中心)
