滑冰作為冬季的傳統(tǒng)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(jié)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(xì)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(dāng)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(jīng)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(dá)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(zhǔn)確，它忽略了一個重要的前提，即只有在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)才為零攝氏度。
早在1850年，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)增加壓強(qiáng)會使冰的熔點(diǎn)降低。第一個把這個規(guī)律和滑冰聯(lián)系起來的人是愛爾蘭物理學(xué)家約翰·喬利。
他認(rèn)為，當(dāng)人站在冰面上時，身體對冰面產(chǎn)生的壓強(qiáng)會使冰的熔點(diǎn)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(qiáng)會更大，熔點(diǎn)就會下降得更多。
據(jù)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓400多倍的壓強(qiáng)，能使冰的熔點(diǎn)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(qū)的氣溫能達(dá)到零下幾十度，按照約翰·喬利的理論，東北的冰面應(yīng)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(shù)情況下運(yùn)動員也是身輕如燕，約翰·喬利的理論完全無法對其進(jìn)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(shè)定為0.02平方英寸。
但事實上冰刀是很厚的，接觸面積要遠(yuǎn)大于這個數(shù)，這意味著冰面被施加的壓強(qiáng)可能遠(yuǎn)不足以讓熔點(diǎn)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(diǎn)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(chǎn)生的熱量，促使冰面融化，形成了一層水膜。
經(jīng)反復(fù)實驗，他們認(rèn)為相比于壓強(qiáng)，摩擦是使冰表面融化的主要因素。為了驗證這個結(jié)論，他們甚至將實驗地點(diǎn)設(shè)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(shù)。
然而，他們二人的解釋并未讓學(xué)界滿意。
此時，一個念頭在人們腦中產(chǎn)生：會不會冰的表面本身就存在著一層水呢?
20世紀(jì)中期，隨著固體物理與材料科學(xué)的進(jìn)步，以及材料探測技術(shù)手段的更新，人們發(fā)現(xiàn)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(tài)物質(zhì)。
它并非是冰融化后形成的水，即便溫度低于熔點(diǎn)，這層物質(zhì)也能存在，一些學(xué)者將其稱為“準(zhǔn)液體層”。它的厚度和溫度有關(guān)，溫度低于熔點(diǎn)越多，這層準(zhǔn)液體就越薄。
1987年，科學(xué)家利用X射線衍射“看”到了冰表面的微觀結(jié)構(gòu)，證實了冰表面確實存在著一層準(zhǔn)液體。
進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)家們用非線性光學(xué)的方法進(jìn)一步研究了冰表面準(zhǔn)液體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。還有一些研究團(tuán)隊用分子動力學(xué)方法拿計算機(jī)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(zhì)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(fā)表于《自然》雜志的一項研究顯示，科學(xué)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(zhǔn)液體的力學(xué)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(yùn)動狀態(tài)。
科學(xué)家在實驗中發(fā)現(xiàn)，這層準(zhǔn)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(tài)冰的彈性。合適的黏性與彈性使得冰表面的準(zhǔn)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(jīng)按捺不住，想馬上去冰場一展風(fēng)采了。別著急，最后提醒大家，一定要在正規(guī)冰場滑冰，同時佩戴好必要的護(hù)具，注意自身安全。(來源：數(shù)字北京科學(xué)中心)