科技日報實習記者 孫 瑜

正在進行中的北京冬奧會讓世界人民大飽眼福。短道速滑緊張刺激，運動員在彎道超越時的身姿可謂風馳電掣；花樣滑冰高貴優(yōu)雅，運動員在冰面起舞，“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？

這個看起來再普通不過的現(xiàn)象，卻困擾了科學家多年。

根據(jù)人們的生活經(jīng)驗，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，正是因為有水作為天然潤滑劑。當我們進行冰上活動時，實際上是站在冰最上面一層具有流動性的水膜上。

可是，這層水膜是從哪里來的？

19世紀50年代，科學家詹姆斯·湯普森提出，如果給冰施加壓力，冰的熔點就會降低。也就是說，“冰在壓力下會融化”。愛爾蘭物理學家約翰·喬利將這個規(guī)律與滑冰聯(lián)系起來，認為當人站在冰面上時，身體對冰面產(chǎn)生的壓強會使冰的熔點低于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會更大，冰的熔點就會下降得更多，從而使得穿著冰鞋的運動員可以在冰面上肆意滑行。

然而，這個假說也有站不住腳的地方。

據(jù)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℃?？墒?，在冬奧會比賽中，短道速滑、速度滑冰等項目的冰面溫度甚至低于-5℃，單純依靠壓強并不會使冰面融化。更不用說東北地區(qū)戶外氣溫甚至可以達到零下幾十攝氏度。依據(jù)這個假說，東北的冰面應該難以融化形成水膜，也就很難在上面滑行了。

可事實并非如此。

1939年，來自英國劍橋大學的兩位科學家弗蘭克·鮑登和T·P·休斯提出，冰表面的水膜是因為摩擦生熱導致冰融化的結(jié)果。他們認為，滑冰時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，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動產(chǎn)生摩擦仍然因為冰面很滑而摔倒的現(xiàn)象。

隨后，新的假說出現(xiàn)了：冰的表面會不會本身就存在一層水膜？

1987年，科學家通過X射線成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，冰面上應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)證實了冰的表面確實存在著一層準液體。

當水結(jié)冰時，每一個水分子都會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。一些研究團隊甚至模擬出了水分子是如何在冰表面“游蕩”的。

一項發(fā)表于《自然》雜志的研究顯示，科學家通過設(shè)計一種可以“聽”的測力儀，能夠測量這層準液體的力學特性，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。在實驗中，玻璃珠會像一個小冰刀一樣，以幾十微米的距離尺度在同一區(qū)域的冰面上滑行。用來振動的音叉上附有一個加速器，可以測量玻璃珠的振蕩振幅，從而計算出玻璃珠和冰之間的摩擦系數(shù)。

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

當然，冰上競技運動中，冰刀的存在也讓運動員如虎添翼。我國科學家發(fā)現(xiàn)，水膜中的微小碎冰充當了軸承滾珠的角色。當運動員腳踏冰刀飛速滑過時，冰刀產(chǎn)生的壓強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。

（資料來源：新華網(wǎng)、中科院物理所、《科學世界》雜志等）

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