[科普中國(guó)]-冰面為什么是滑的？

每到冬季，冰上運(yùn)動(dòng)會(huì)給人們帶來許多歡樂。冰的低摩擦力幾乎令人感覺不到阻力，速滑運(yùn)動(dòng)員在冰面上的時(shí)速可達(dá)幾十公里，花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員能做出令人眼花繚亂的冰上舞蹈動(dòng)作?？墒悄闶欠裣脒^，冰面為什么是滑的呢？這個(gè)問題看似簡(jiǎn)單，但科學(xué)家們?nèi)栽诳嗫嗵綄ぁ?/p>

最為人們熟知的一個(gè)理論是“壓力融解說”，學(xué)說是由愛爾蘭物理學(xué)家約翰·杰里于1886年提出。如果用冰刀給單位面積的冰施加很大的壓力，這種壓力會(huì)使接觸面的冰融化，形成薄薄的水層，水層會(huì)起到很好的潤(rùn)滑作用，使其間的摩擦系數(shù)變得非常小，便可以滑冰了。

“壓力融解說”誕生已有一百多年了，但近些年來受到人們的置疑。美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家吳進(jìn)遠(yuǎn)指出，要想讓冰刀下的冰融化，需要非常高的壓強(qiáng)。通常，花樣滑冰比賽冰面的溫度至少低于零下3.5℃，短道速滑、冰球等比賽冰面溫度更低。所以要想讓冰在零下3.5℃融化，需要的壓強(qiáng)大約是350大氣壓，即3500萬(wàn)牛頓/m2，相當(dāng)于在1m2面積上堆放3500噸的重物。此時(shí)假設(shè)冰刀的有效長(zhǎng)度為100mm，寬0.5mm，則它的有效面積為50mm2，要想獲得350大氣壓，就需要運(yùn)動(dòng)員的體重達(dá)到175公斤，但我們所見到的身輕如燕的滑冰運(yùn)動(dòng)員明顯達(dá)不到這個(gè)體重。

如此看來，“壓力融解說”并不能合理解釋滑冰時(shí)冰面為什么滑?？茖W(xué)家們又提出了另外兩個(gè)導(dǎo)致冰很滑的原因——“摩擦融解說”和“表面融化說”。

“摩擦融解說”認(rèn)為，和摩擦雙手手掌時(shí)掌心會(huì)生熱變暖一樣，在冰面滑行時(shí)，冰刀與冰面之間進(jìn)行了快速的摩擦，在這個(gè)過程中產(chǎn)生的熱量使冰融化，融化產(chǎn)生的水就起到了潤(rùn)滑劑的作用，所以冰面很滑。但是這個(gè)理論也有缺陷，因?yàn)榧词勾┲局粍?dòng)，同樣有人會(huì)滑倒。

“表面融化說”指出，冰的表面始終存在薄薄的一層類似液態(tài)的水，即使是在冰點(diǎn)以下也沒有完全結(jié)成冰。當(dāng)物體在與冰面接觸時(shí)，不需要太高的壓強(qiáng)就能讓這些水不斷地潤(rùn)滑物體與冰層的接觸面，使冰面很滑。也有研究人員認(rèn)為，冰上的那層水并不是真正的液態(tài)水，而是一種“超固體皮膚”。水結(jié)冰以后表面上的水分子之間的化學(xué)鍵并沒有斷裂而是被拉長(zhǎng)了。而且，拉長(zhǎng)的化學(xué)鍵會(huì)在表層與接觸物之間產(chǎn)生一種靜電斥力。這種靜電斥力可以托起接觸物，能大幅度地減少摩擦阻力。

到目前為止，縱然“表面融化說”得到了很多人的認(rèn)可，但關(guān)于冰面為什么很滑的原因，學(xué)界仍然是百家爭(zhēng)鳴，并沒有得出統(tǒng)一的答案。

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