冰為什么那么滑？
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)都離不開光滑的冰面。然而，冰為什么那么滑？
這個(gè)看起來再普通不過的現(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)橛兴鳛樘烊粷櫥瑒．?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，“冰在壓力下會(huì)融化”。愛爾蘭物理學(xué)家約翰·喬利將這個(gè)規(guī)律與滑冰聯(lián)系起來，認(rèn)為當(dāng)人站在冰面上時(shí)，身體對冰面產(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，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，來自英國劍橋大學(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”，也就無法提供有效潤滑作用。同時(shí)，摩擦生熱產(chǎn)生水膜的說法也無法解釋很多人在冰面上沒有劇烈運(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。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)家通過設(shè)計(jì)一種可以“聽”的測力儀，能夠測量這層準(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。用來振動(dòng)的音叉上附有一個(gè)加速器，可以測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。科學(xué)家認(rèn)為，這正是冰為什么滑的秘密源頭。
當(dāng)然，冰上競技運(yùn)動(dòng)中，冰刀的存在也讓運(yùn)動(dòng)員如虎添翼。我國科學(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，釋放出來的液態(tài)水增加了原本的水膜厚度，使冰變得更加滑。
