快速溜冰有奧秘

安徽省靈璧縣黃灣中學(xué) 華興恒

很多人，尤其年輕人都非常喜歡溜冰，因?yàn)檫@種運(yùn)動(dòng)不僅能夠鍛煉人體的平衡能力、協(xié)調(diào)能力以及身體的柔韌性，還可以增強(qiáng)人的心肺功能，提高有氧運(yùn)動(dòng)能力。對于娛樂性的溜冰，不僅能夠使人們放松心情，加強(qiáng)交流，還可以獲得融入自然的樂趣。

我們從各種冬季運(yùn)動(dòng)會(huì)上，可以看到冰上運(yùn)動(dòng)員矯健的身影、優(yōu)美的舞姿。他們在冰面上快速前進(jìn)，不時(shí)靈活地轉(zhuǎn)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(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，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(gè)問題的：這是因?yàn)楸对谂c冰面摩擦的過程中，要克服摩擦力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，因而會(huì)產(chǎn)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?yàn)椴ＡР荒苋刍兂伞安Ａ钡木壒省Ｊ聦?shí)果真是這樣的嗎？

上述解釋其實(shí)并不完全禁得住推敲。這是因?yàn)楸对诒嫔匣袝r(shí)受到的摩擦力還是非常小的，僅靠摩擦產(chǎn)生的那一點(diǎn)熱量，是不可能在這樣短暫的時(shí)間里使冰融化的（冰融化要有一個(gè)過程，并且冰在融化的過程中需要吸收大量的熱）。

滑冰運(yùn)動(dòng)員在冰面上滑行時(shí)，冰刀的兩側(cè)及其下面確實(shí)有那么一點(diǎn)水，那么這點(diǎn)起到潤滑作用的水到底是怎樣產(chǎn)生的，又是如何存在的呢？同學(xué)們都知道，在通常情況下（1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）冰的熔點(diǎn)是0 ℃，當(dāng)外界的壓強(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)也就會(huì)隨之降低。如果根據(jù)這一理論解釋上述問題，就會(huì)有下面的解釋。

為了減小冰面對溜冰鞋的摩擦阻力，提高運(yùn)動(dòng)員滑行的速度及靈活性，滑冰運(yùn)動(dòng)員通常要穿帶有冰刀的鞋子。如果大家仔細(xì)觀察就會(huì)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(yùn)動(dòng)員對冰面的壓力是一定的，這個(gè)壓力的大小就等于運(yùn)動(dòng)員自身的重力。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員穿上溜冰鞋時(shí)，由于冰面的受力面積減小了，因而冰面受到的壓強(qiáng)就會(huì)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(yùn)動(dòng)員在滑行時(shí)，由于冰刀對冰面產(chǎn)生的壓強(qiáng)很大，這迫使冰刀下面的冰的熔點(diǎn)下降，從而使得這部分冰融化，于是在冰刀的周圍就會(huì)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(yùn)動(dòng)員在前進(jìn)過程中所受到的摩擦阻力，所以滑冰運(yùn)動(dòng)員可以在冰面上健步如飛，同時(shí)可以隨心所欲地做出各種優(yōu)美的動(dòng)作。

當(dāng)冰刀滑過之后，由于這個(gè)附加的壓強(qiáng)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(huì)結(jié)冰。更為奇妙有趣的是，冰刀滑過之處還不會(huì)在冰面上留下劃痕。

對于這一解釋還可以用一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)來予以說明。當(dāng)環(huán)境溫度不高于0 ℃時(shí)（保證冰不會(huì)因?yàn)榄h(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(xì)鐵絲搭在冰塊上。大家會(huì)看到這種奇特的現(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地向下移動(dòng)。而細(xì)鐵絲剛剛經(jīng)過的上方的水，又會(huì)因壓強(qiáng)減小而結(jié)冰，最終細(xì)鐵絲會(huì)從整個(gè)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(shí)際的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)一個(gè)質(zhì)量為70 kg的人穿著溜冰鞋站在冰面上時(shí)，只能對冰面產(chǎn)生3.5×105Pa的壓強(qiáng)，這樣的壓強(qiáng)對冰的熔點(diǎn)影響并不是很大，只能使冰的熔點(diǎn)下降0.1 ℃左右。因此上述解釋也就不能令人完全信服。

當(dāng)對上述問題的解釋出現(xiàn)新的困難時(shí)，一種新的理論又隨之誕生了。科學(xué)家們通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)冰上有水，可是也有不少科學(xué)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(dāng)冰的溫度在-22℃以上時(shí)，冰的表面上始終會(huì)有一層薄薄的永遠(yuǎn)不會(huì)凝固的水。

早在1850年，英國著名的物理學(xué)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(xué)家通過實(shí)驗(yàn)又證明了這一理論。勞倫斯柏克利實(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)使用儀器記錄了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)方向散亂地反彈開來。這說明看起來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(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。這樣冰面的摩擦力就會(huì)變得更小，所以也就會(huì)更滑了。

這兩位科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到-22 ℃以下時(shí)，冰面的平滑性能就開始大大降低。這是因?yàn)樵谶@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(huì)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(rèn)為，即使克服摩擦力做功而產(chǎn)生熱量，冰面依舊很滑很滑。