科技日?qǐng)?bào)實(shí)習(xí)記者 孫 瑜

正在進(jìn)行中的北京冬奧會(huì)讓世界人民大飽眼福。短道速滑緊張刺激，運(yùn)動(dòng)員在彎道超越時(shí)的身姿可謂風(fēng)馳電掣；花樣滑冰高貴優(yōu)雅，運(yùn)動(dòng)員在冰面起舞，“翩若驚鴻，婉若游龍”……

這一切的基礎(chǔ)都離不開(kāi)光滑的冰面。然而，冰為什么那么滑？

這個(gè)看起來(lái)再普通不過(guò)的現(xiàn)象，卻困擾了科學(xué)家多年。

根據(jù)人們的生活經(jīng)驗(yàn)，讓物體變滑，油、蠟、水等潤(rùn)滑劑是最佳利器。它可以降低物體間的摩擦。而冰面之所以能夠那么滑，正是因?yàn)橛兴鳛樘烊粷?rùn)滑劑。當(dāng)我們進(jìn)行冰上活動(dòng)時(shí)，實(shí)際上是站在冰最上面一層具有流動(dòng)性的水膜上。

可是，這層水膜是從哪里來(lái)的？

19世紀(jì)50年代，科學(xué)家詹姆斯·湯普森提出，如果給冰施加壓力，冰的熔點(diǎn)就會(huì)降低。也就是說(shuō)，“冰在壓力下會(huì)融化”。愛(ài)爾蘭物理學(xué)家約翰·喬利將這個(gè)規(guī)律與滑冰聯(lián)系起來(lái)，認(rèn)為當(dāng)人站在冰面上時(shí)，身體對(duì)冰面產(chǎn)生的壓強(qiáng)會(huì)使冰的熔點(diǎn)低于0℃，讓冰的表面融化，形成一層具有潤(rùn)滑作用的水膜，使冰面變滑。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(huì)更大，冰的熔點(diǎn)就會(huì)下降得更多，從而使得穿著冰鞋的運(yùn)動(dòng)員可以在冰面上肆意滑行。

然而，這個(gè)假說(shuō)也有站不住腳的地方。

據(jù)計(jì)算，穿著冰鞋的成年人會(huì)給冰表面施加超過(guò)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℃?？墒?，在冬奧會(huì)比賽中，短道速滑、速度滑冰等項(xiàng)目的冰面溫度甚至低于-5℃，單純依靠壓強(qiáng)并不會(huì)使冰面融化。更不用說(shuō)東北地區(qū)戶外氣溫甚至可以達(dá)到零下幾十?dāng)z氏度。依據(jù)這個(gè)假說(shuō)，東北的冰面應(yīng)該難以融化形成水膜，也就很難在上面滑行了。

可事實(shí)并非如此。

1939年，來(lái)自英國(guó)劍橋大學(xué)的兩位科學(xué)家弗蘭克·鮑登和T·P·休斯提出，冰表面的水膜是因?yàn)槟Σ辽鸁釋?dǎo)致冰融化的結(jié)果。他們認(rèn)為，滑冰時(shí)冰刀與冰面的快速摩擦產(chǎn)生的熱量可能是冰面融化形成水膜的主要原因。

可惜，后來(lái)人們證明，摩擦產(chǎn)生的水膜厚度明顯小于冰面本身較為粗糙部分的厚度。這說(shuō)明摩擦產(chǎn)生的水膜甚至不能填滿冰層表面的“小水坑”，也就無(wú)法提供有效潤(rùn)滑作用。同時(shí)，摩擦生熱產(chǎn)生水膜的說(shuō)法也無(wú)法解釋很多人在冰面上沒(méi)有劇烈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦仍然因?yàn)楸婧芑さ沟默F(xiàn)象。

隨后，新的假說(shuō)出現(xiàn)了：冰的表面會(huì)不會(huì)本身就存在一層水膜？

1987年，科學(xué)家通過(guò)X射線成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，冰面上應(yīng)該存在一層非常薄的水分子層，厚度約在100納米量級(jí)。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了冰的表面確實(shí)存在著一層準(zhǔn)液體。

當(dāng)水結(jié)冰時(shí)，每一個(gè)水分子都會(huì)通過(guò)氫鍵抓住其周圍的水分子，形成晶體結(jié)構(gòu)。但是表層的水分子周圍缺少其他水分子，因此沒(méi)有辦法形成如冰塊內(nèi)部那般規(guī)則的結(jié)構(gòu)，只能雜亂無(wú)序地“游蕩”在冰表面。一些研究團(tuán)隊(duì)甚至模擬出了水分子是如何在冰表面“游蕩”的。

一項(xiàng)發(fā)表于《自然》雜志的研究顯示，科學(xué)家通過(guò)設(shè)計(jì)一種可以“聽(tīng)”的測(cè)力儀，能夠測(cè)量這層準(zhǔn)液體的力學(xué)特性，并從微觀角度探討冰為什么滑。這套測(cè)力儀由類似音叉的裝置和毫米大小的玻璃珠構(gòu)成。在實(shí)驗(yàn)中，玻璃珠會(huì)像一個(gè)小冰刀一樣，以幾十微米的距離尺度在同一區(qū)域的冰面上滑行。用來(lái)振動(dòng)的音叉上附有一個(gè)加速器，可以測(cè)量玻璃珠的振蕩振幅，從而計(jì)算出玻璃珠和冰之間的摩擦系數(shù)。

最終，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這層準(zhǔn)液體并非簡(jiǎn)單的水，而是水和微小碎冰的混合物。它像油一樣黏稠，具有黏彈性?？茖W(xué)家認(rèn)為，這正是冰為什么滑的秘密源頭。

當(dāng)然，冰上競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中，冰刀的存在也讓運(yùn)動(dòng)員如虎添翼。我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，水膜中的微小碎冰充當(dāng)了軸承滾珠的角色。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員腳踏冰刀飛速滑過(guò)時(shí)，冰刀產(chǎn)生的壓強(qiáng)作用使得這些微小碎冰像珠子一樣被捏爆，釋放出來(lái)的液態(tài)水增加了原本的水膜厚度，使冰變得更加滑。

（資料來(lái)源：新華網(wǎng)、中科院物理所、《科學(xué)世界》雜志等）

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