冰刀是如何減小摩擦力的

鄭玲玲

人類滑冰的歷史悠久，早在4000多年前就有與滑冰相關的記載，滑冰從一種冰上運輸方式演變為現代奧運的比賽項目，冰刀功不可沒。公元10世紀左右，人們發現將動物的脛骨綁在腳上有助于在冰上行走，這就是冰刀的雛形。現如今，人們已經針對不同的冰上運動設計了不同結構的冰刀，借助冰刀，人們在冰上可以自由地快速滑行和舞動。那么，為什么冰刀可以使人在冰面上快速前行呢？

壓強與晶體的熔點

要解釋冰刀的作用，先來了解一下壓強與晶體熔點之間的關系。物質從一種狀態變化到另一種狀態的過程，稱為物態變化。晶體從固態轉變為液態的溫度臨界點稱為熔點。同一種晶體的熔點與壓強有關，熔化時體積縮小的晶體，熔點隨壓強的增大而降低，反之亦然。我們知道，冰融化成水時，體積變小，因此冰是一種熔點隨壓強增大而降低的晶體，一般每增加一個標準大氣壓（約1.01×105Pa），冰的熔點大約降低0.0075℃。該結論不僅可以從水的三相圖上看出，還可以通過一個簡單的實驗來驗證。

取一塊厚些的冰，用兩個支架架空，在細鐵絲上懸上重物掛在冰塊上，過一段時間會看到細鐵絲穿過冰塊而不留下切口。仔細分析就會發現，實驗中冰與鐵絲的接觸面很小，因此加掛的重物在鐵絲與冰塊的接觸面上產生很大的壓強，接觸面上的冰因熔點降低而融化。而融化的水流到鐵絲上方后，因壓強恢復到正常大氣壓，熔點升高到0℃，又重新結成冰。如此下去，最終鐵絲穿過冰塊落下，而冰塊卻依然保持完整。

事實上，自然界中冰河的形成也是基于同樣的原因。高山上的積雪隨著時間慢慢積累，雪底部的壓強逐漸增大，導致冰的熔點降低，因此底部的雪開始融化。融化成的水由積雪中的縫隙上升，升到壓強稍小處，又凍結成冰。這樣反復若干次之后，形成龐大的冰塊，冰塊底部同樣也是壓強大熔點低，冰又融化為水，使冰塊沿山坡徐徐下滑，最終形成冰河。

增大壓強的冰刀

再來分析冰刀。冰鞋上的冰刀刃口很窄，普通冰刀的刀刃一般只有2mm寬，花樣冰刀的刀刃也不過4mm寬，刀的前面呈彎月形，中央凹進一些，因此冰刀與冰面的接觸面積非常小。人對地面的壓力是一定的，穿上冰鞋后，冰面的受力面積減小，它受到的壓強就會增大，一個質量為50kg的人穿上冰鞋，他對冰面的壓強高達10個標準大氣壓左右。在這樣的壓強下，冰的熔點將會降低，這樣使零度以下的冰在冰刀的作用下融化成水。冰刀下面薄薄的一層水可以起到潤滑作用，它減小了冰刀與冰面之間的摩擦力，從而使人們能在冰面上飛跑、舞動。

花樣繁多的冰刀

滑冰運動分為花樣滑冰、冰球和速滑，雖然都是冰上運動，但根據不同運動的特點和要求，冰鞋及配備的冰刀也不盡相同。

花樣滑冰的冰刀稱作花刀，其前端有突出的刀齒，以便運動時的起跳蹬冰和落下、旋轉時的制動。花樣滑冰動作難度大，對穩定性要求較高，因此鞋幫要硬而高以保護踝關節，刀刃較寬中間有溝槽，刀體弧度比較大，初學滑冰的人一般多選用花樣滑冰鞋。

打冰球用的冰刀，其刀刃光滑。冰球項目對抗性很強，因此，冰球鞋的鞋頭很硬，鞋腰較高，鞋幫很厚，冰球刀刀體很短，具有較大弧度，可以使滑冰者在冰面上靈活地移動和改變滑行方向。

速滑比賽中使用的冰刀，比其他兩種冰刀要稍長些，且刀刃窄，相對較平，可以進一步減小其與冰面之間的摩擦力。另外，冰鞋的鞋腰比較矮，以便于運動員降低身體重心，減少空氣阻力。

最后，一起來看看下面這道題：冰刀與冰面的摩擦因數為0.02，運動員質量為60kg，當運動員停止用力，滑行30m停止運動時，計算一下，運動員運動時的平均速度是多少？