滑冰滾雪球 科學揭奧秘

華興恒

又是一年冬來到，你是不是又在期待窗外的漫天雪花和千姿百態的冰雪美景？可你是否注意過這些問題，雪球為什么會越滾越大？滑冰為什么要穿上裝有冰刀的冰鞋？當你有機會玩雪、滑冰、欣賞雪景的時候，可別忘了想想它們背后的科學知識哦！

先玩一個割冰塊的魔術

大家在學習熱學知識的過程中，經常會聽到這樣的說法，“冰的熔點是0℃”。其實這個結論是有條件的，即只有在一個標準大氣壓下，冰的熔點才是0℃。由此可知，晶體熔點的高低會受到壓強的影響。若晶體熔化時體積膨脹，則它的熔點就隨著壓強的增大而升高;反之，若晶體熔化時體積縮小，則它的熔點就隨著壓強的增大而降低。因此，如果壓強改變了，那么冰的熔點也就會隨之改變。因為冰在融化的過程中，其體積是減小的，因此當壓強大于一個標準大氣壓時，冰的熔點就低于0℃;當壓強小于一個標準大氣壓時，冰的熔點就高于0℃。冰的熔點隨壓強增大而降低，可通過下面的一個比較有趣的實驗顯示出來。

取一塊形狀近似為長方體的冰塊，把它放在支架上，將一根細鋼絲橫跨在冰塊上，在鋼絲的下端分別掛上重物，然后我們耐心仔細地觀察，會看到一個非常奇妙的現象：鋼絲會逐漸嵌入冰塊之中，并且緩慢地向下移動，最后鋼絲會從冰塊下面脫出，而冰塊并未被切割成兩塊，并且鋼絲經過的地方完好如初。

冰塊為什么會“割”而不斷呢？原來這都是壓強玩的“小把戲”。由于鋼絲下面吊有重物，使得鋼絲下的冰受到的壓強明顯地增大了，并且遠遠大于大氣壓，這就使得此處冰的熔點降低，從而緩慢地融化成水，因此鋼絲也就會緩慢地向下移動。在鋼絲下移的過程中，它上面縫隙里的水又處于大氣壓下，其凝固點是0℃，同時鋼絲下面被壓的冰融化時要從周圍吸收熱量，鋼絲上面的這部分水放出熱量，溫度就會降低到0℃以下，因而又會重新凍結，就使得被鋼絲切開的冰又連接在一起。就這樣冰塊雖然被慢慢地“切割”下去，但是通過融化、結冰這樣反復不斷的過程，冰塊還是會完好如初。

大量的實驗事實證明：壓強每增大一個標準大氣壓，冰的熔點約降低0.0075℃。用這個實驗結論，可以解釋以下日常生活中常見的兩個比較有趣的實際問題。

雪球為什么越滾越大？

大家都知道，冰雪的熔點只有在一個標準大氣壓下才是0℃，如果壓強增大，它的熔點就會降低。當我們把疏松的雪壓緊時，這樣就加大了雪片之間的壓力，雪的熔點會因此而下降。在0℃以下時，雪照樣可以融化成水，附著在雪團的下面。當雪團滾動后，附著在雪團下面的水，因雪團的翻轉到了側面，從而使得其所受的壓力減小，隨著壓力的減小，這些水便會迅速地結成冰，從而使雪球變大。隨著雪球不斷地在雪地上滾動，雪團下的雪被壓融化，減壓后又會結冰，與雪球結合在一起。就這樣，隨著雪球的不斷滾動，與雪球接觸的雪片不斷地重復著“融化、附著、結冰”這樣的變化過程，因此雪球也就會越滾越大了。

滑冰運動員為何能快速滑行？

大家都知道，滑冰運動員的冰鞋上都裝有冰刀，僅從表面上看是為了減小受力面積，其實更深層的作用，則是為了提高滑行的速度。同學們，你知道其中的奧秘嗎？下面我們就一起來揭開這層神秘的“面紗”吧！

滑冰運動員穿的冰鞋上都帶有冰刀，刀與冰面之間有一定的摩擦。由于冰刀與冰面之間的接觸面積很小，因而它對冰面的壓強就會顯著地增大，從而使接觸處冰的熔點降低，此處的冰在0℃以下照樣可以融化成水，這樣就在冰刀的周圍形成了一層薄薄的水。這就相當于在冰刀前進的道路上涂抹了一層潤滑劑，使得冰刀與冰之間的摩擦力極大地減小了，所以滑冰運動員可以在冰面上急速如飛了。

冰鞋上的冰刀有大講究

下面我們對冰刀再做進一步的探討。在滑冰、滑雪、步行的過程中，我們之所以能夠前進，都必須對地面施加一個作用力，利用地面對我們的反作用力，來為我們前進提供動力，至少是起動的力。而當我們運動起來之后，就要盡量減少前進過程中所受到的阻力，同時還要靠調整姿態或與地面的摩擦力來調整運動的方向。

滑冰時，運動員要用冰刀蹬冰，要蹬冰就只有用冰刀的刃用力地去“啃”冰，因此刀刃必須要做得很薄、很鋒利，這樣對冰面的壓強就可以增大到很大，只有這樣才可以獲得較大的力。不過要注意的是，滑冰時重心必須放在前進的腳上，只有這樣，另一只腳才可以做各種動作，比如蹬冰前進、調整方向和做各種優雅美妙的動作。因此重心所在的那只腳上，冰刀必須與前進的方向一致。熟練的運動員可以巧妙地掌握冰刀與冰面接觸的位置，要蹬冰或轉彎時，盡量利用鋒利的刀刃“啃”冰，而滑行時則盡量避免更多地“啃”冰，以減小摩擦阻力，從而能夠快速前進。

還有一個比較有趣的現象，冰刀在冰塊上劃過之后，總會留下一道白色的痕跡。這是冰刀刻出來的?；倪^程很微妙，沒有刻痕不行，刻痕太重了也不行，做各種不同的動作留下的刻痕也不同。顯然運動員前進時，沒有刻痕就不能控制方向。

速滑、花樣滑冰及打冰球對動作的要求也是各不相同的，因此冰刀的形狀也就各異，刀刃的形狀也干差萬別。速滑要盡量減小摩擦以保證更快的速度，因而冰刀都比較長，只有在轉彎時利用刀刃“啃”冰，刀刃形如桌子的棱角，是900的。而打冰球時要頻繁起動、停止、左躲右閃、轉動騰挪，冰刀就要短一些，刀刃要鋒利一些，槽要深一些。花樣滑冰運動員離不開旋轉翻飛和翩翩的舞姿，動作要求是幅度要小、速度要快、動作要靈活、變化要多樣，而不要求直線運動速度，因此冰刀要短，刀槽要深，刀刃要鋒利，為了適應花樣滑冰的急轉急停，除了鋒利的刀刃，還要在冰刀的前端加一排齒，以便更好、更有效地控制動作，使得動作更加優美、流暢、揮灑自如，從而提高觀賞性。