原標題：你有沒有想過：冰為什么這么滑？這個問題可不簡單

來源：科技日報

冰為什么這么滑？ 這個問題可不簡單

滑冰作為冬季的傳統戶外項目，每年都能吸引很多人參與其中。但你有沒有想過，為什么冰面會這么滑呢？

冰面自帶天然潤滑劑

問起冰為什么那么滑，可能有些人會不假思索地回答：“因為冰面足夠光滑！”

這個解釋或許有幾分道理，可真正滑過冰的人一定知道，戶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。不必說室外冰場，就算是冬天路邊一攤積水結成的碎冰碴子，也能瞬間把人放倒。

另外一個例子也能證明，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，想讓物體變滑，只需薄薄一層潤滑劑即可，它可以是水、蠟、礦物油，也可以是細砂粒、石墨粉。潤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滑劑。當我們站在冰面上時，腳部并不與冰面直接接觸，而是隔著一層具有流動性的水膜。

冰面上的水從何而來

講到這里，冰面為什么滑的問題已經解釋完了，但仍有一個問題未被解決——冰面上的水從何而來？

我們都知道，冰在零攝氏度時才會融化。上個月北京室外溫度可達零下五六度，甚至還曾低至零下十多度，這個溫度顯然不足以讓冰表面融化。

其實，“冰在零攝氏度時會融化”并不準確，它忽略了一個重要的前提，即只有在一個標準大氣壓下，冰的熔點才為零攝氏度。

早在1850年，科學家就發現增加壓強會使冰的熔點降低。第一個把這個規律和滑冰聯系起來的人是愛爾蘭物理學家約翰·喬利。

他認為，當人站在冰面上時，身體對冰面產生的壓強會使冰的熔點低于零攝氏度，讓冰的表面融化，形成一層具有潤滑作用的水膜，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會更大，熔點就會下降得更多。

據約翰·喬利的計算，穿著冰鞋的成年人會給冰表面施加超過標準大氣壓400多倍的壓強，能使冰的熔點降到-3.5攝氏度。

“冰面上的水從何而來”的問題似乎被完美地解決了，但總有一些不對勁的地方。入冬后，我國東北地區的氣溫能達到零下幾十度，按照約翰·喬利的理論，東北的冰面應該不會融化，不會讓人滑倒，也很難在上面滑行。然而事實并非如此，在冰面上“滑刺溜”是東北日常冬季活動之一。

且不說東北，一般花樣滑冰場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，絕大多數情況下運動員也是身輕如燕，約翰·喬利的理論完全無法對其進行解釋。

更尷尬的是，約翰·喬利在其實驗中，將冰刀與冰面的接觸面積設定為0.02平方英寸。

但事實上冰刀是很厚的，接觸面積要遠大于這個數，這意味著冰面被施加的壓強可能遠不足以讓熔點下降得如此之多。曾有人實驗測算，一個70公斤的人站在冰刀上，只能讓冰的熔點降低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生的熱量，促使冰面融化，形成了一層水膜。

經反復實驗，他們認為相比于壓強，摩擦是使冰表面融化的主要因素。為了驗證這個結論，他們甚至將實驗地點設在了海拔3346米的冰冷山洞中，還動用了干冰、液化氣體等制冷技術。

然而，他們二人的解釋并未讓學界滿意。

此時，一個念頭在人們腦中產生：會不會冰的表面本身就存在著一層水呢？

20世紀中期，隨著固體物理與材料科學的進步，以及材料探測技術手段的更新，人們發現在冰的表面天然存在一層介乎于水與冰之間、具有流動性的表面態物質。

它并非是冰融化后形成的水，即便溫度低于熔點，這層物質也能存在，一些學者將其稱為“準液體層”。它的厚度和溫度有關，溫度低于熔點越多，這層準液體就越薄。

1987年，科學家利用X射線衍射“看”到了冰表面的微觀結構，證實了冰表面確實存在著一層準液體。

進入21世紀，科學家們用非線性光學的方法進一步研究了冰表面準液體的結構與性質。還有一些研究團隊用分子動力學方法拿計算機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“跑來跑去”。

但這些水分子就是潤滑劑嗎？生活中的潤滑劑通常是油狀的、膏狀的，很少看見像水一樣質地的。潤滑劑不僅要有很好的流動性，通常還要有一定的彈性和黏度。

發表于《自然》雜志的一項研究顯示，科學家們用一個類似音叉的裝置和毫米級的玻璃珠巧妙地測量了這層準液體的力學特性。音叉振動帶動小玻璃珠在冰面滑移，加速計則捕捉到這一過程中玻璃珠的運動狀態。

科學家在實驗中發現，這層準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，同時也具有接近固態冰的彈性。合適的黏性與彈性使得冰表面的準液體甚至比水的潤滑效果還好，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”這個問題有了較為完整的解釋。

說了這么多，想必很多人已經按捺不住，想馬上去冰場一展風采了。別著急，最后提醒大家，一定要在正規冰場滑冰，同時佩戴好必要的護具，注意自身安全。

(來源：數字北京科學中心)

【編輯:張楷欣】

[責任編輯：楊凡、崔中連]

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