每年冬天，冰上运动都会给人们带来无穷的乐趣。冰的低摩擦力让人几乎感觉不到阻力。速滑运动员在冰上的速度可达每小时56公里，花样滑冰运动员可以做出炫目的冰上舞蹈动作，一个20公斤的冰壶可以按照预定的轨迹快速滑行。 　　

　　但在过去的20年里，科学家们一直试图找到几个问题的答案：为什么冰这么滑？溜冰鞋为什么能在冰面上滑得这么流畅？为什么人在冰上那么容易滑倒？ 　　

　　很多人都知道滑冰出奇的难学。当刀片穿过冰层时，你看不到下面发生了什么。刀片遮住了视线，冰刀上的冰在显微镜下很薄。 　　

　　因此，科学家必须依靠他们的物理和化学知识来解释上述问题。他们提出了几个假设，每个假设都说明了冰的迷人本质。 　　

　　首先我们需要明确：冰是什么？ 　　

　　对于宇宙中的大多数物质来说，固体的密度高于液体的密度。当一种物质冷却到足以形成固态时，它的分子会更紧密地结合在一起。但是冰不一样。当它降到零摄氏度以下时，水分子也会冻结，连接它们的特殊氢键会迫使水分子增大空间。 　　

　　图中的液态水分子杂乱而密集，而右边的冰分子有序而分散。 　　

　　事实证明，你可以对冰进行“微调”，以使不同运动项目的运动员受益。奥运冰场使用的冰块是由纯水制成，纯水被均匀地一层层喷洒在冰场上，创造出一个没有任何瑕疵的冰面。 　　

　　奥运会用冰的厚度和温度取决于运动的类型。花样滑冰运动员喜欢将冰设置在熔点(-3.9摄氏度)附近，以获得额外的抓地力和控制力。曲棍球运动员喜欢更冷更硬的冰，这样他们可以在冰上快速移动。 　　

　　固态冰的密度实际上比液态水小，这就是冰山漂浮在海洋中的原因。对于科学家来说，这是一个解释为什么冰如此滑的线索。 　　

　　假设1:压力融化冰。这基本上是错的，但还是很有意思的。 　　

　　自19世纪以来，对于“为什么冰是光滑的”这个问题，最常见的答案一直是“冰在压力下会融化”。这个想法来自詹姆斯汤普森，他在19世纪50年代提出了一个数学模型，描述了冰的一个非常奇怪的性质：在高压下，冰会变成水。这是因为固体冰的密度低于水的密度。如果你挤压冰，它会变得不稳定并融化。 　　

　　你可以用一个非常简单的实验来证明这个效果。拿一根铁丝，两端加重物，然后把铁丝铺在一块冰上。电线的压力会穿过冰切割出干净的线条，当电线穿过时，冰会再次冻结，这个过程称为“再次膨胀”。人们很容易认为冰鞋就是这样工作的：冰鞋下面的薄刀片施加足够的压力来融化冰，以减少摩擦，允许滑动。 　　

　　但加州大学伯克利分校的理论化学教授大卫利默说：“问题是，你必须是一个非常大的个体，才能在任何合理的温度下完全融化冰。”一个体重68公斤的人站在冰刀上只会把冰的熔点从零摄氏度降低到零下0.02摄氏度左右，而花样滑冰场的冰通常保持在零下4.44摄氏度左右。简单来说：溜冰者无法施加足够的压力来融化冰。 　　

　　Limo解释说：“因此，虽然这个想法基本上是正确的，即你可以通过加压来融化冰，但这些数字根本没有意义。”此外，压力融化冰不是瞬间发生的。退休的理论物理教授汉斯汉斯范莱文(Hans Hans)最近发表了一篇关于滑冰的数学解释，他说：“当一个滑冰的人在冰上的某一点只停留一毫秒，他不太可能靠压力融化一层水。” 　　

　　假设二：摩擦融化冰。温度越来越高，但这并不能解释一切。 　　

　　所以冰刀在冰上的压力并不能解释溜冰鞋为什么会滑行。摩擦力呢？溜冰鞋在冰面上的滑行运动能产生足够的热量融化冰吗？这肯定是答案的一部分，但并没有从一开始就解释冰为什么这么滑。走在湿滑的人行道上的人都知道，你的脚一碰到冰就会打滑。没有足够的时间来产生融化水膜所需的摩擦力。 　　

　　Limo解释说，摩擦力是滑冰中的“一个次要效应”。摩擦力有助于我们理解为什么冰刀在移动时越滑越快，而不是为什么冰刀一开始就能开始滑动。 　　

　　假设三：冰上有稀薄的液态水层，这才是关键。 　　

　　在詹姆斯汤普森解释为什么压力会融化冰的几年前，物理学家迈克尔法拉第发现了冰的另一个迷人特征：冰的表面有一层薄薄的液态水。他的实验非常简单，你甚至可以在家里做。 　　

　　将两块冰块放入冰箱，在它们的任何部分被加热到熔点之前，迅速将它们堆叠在一起。几个小时后，你会送来 　　

这种非常薄的液体层也使冰变得格外光滑。但是法拉第当时无法证明他的假设，原子和分子科学也还不能帮助做出解释。

直到1987年，科学家用X射线成像证实了这个“准液态”层的存在。它非常薄，最佳估计发现，在零下1摄氏度时，它的厚度在1纳米到94纳米之间，比细菌小1000倍。最近，科学家们用极其灵敏的显微镜观察到了液体表面。

这张图表显示了在分子尺度上正在发生的事情

当水被冻结时，单个水分子通过氢键相互吸引，彼此保持在晶体结构中。但是表面上的分子可以附着的其他分子较少，这使得它们变得更无组织性，最终使冰变得很滑。

那么，当铝或钢制成的溜冰鞋接触到冰时会发生什么呢？

理论物理学教授汉斯范莱文(Hans Van Leeuwen)解释说，溜冰鞋之所以能够在冰面上瞬间移动，是因为冰的表面有液态层存在。随着刀刃在冰中移动的速度越来越快，产生了更多的摩擦，从而融化了更多的水。当滑冰者向前推进时，使其变形。这会导致更多的冰熔化。所有这些都使滑冰者能够像在薄薄的水膜上滑行。而且，这一切都发生在一瞬间。

再强调下，这个过程很难在实验中亲眼目睹。莱文表示：“水层的厚度如此之薄，以至于你无法将其与冰层区分开来。”因此，这只是目前的一个假设。

但有趣的是，莱文估计，在零下30摄氏度以下的温度下滑冰是非常困难的，尽管冰上仍然有很薄的液体层，但要产生足够的热量来融化其他的冰，需要太多的摩擦。而且，在这个温度以下，冰面上的微小液态层变得越来越难探测，就像在砾石上滑冰一样。不过，在这个世界上，谁会选择在零下30摄氏度的地方溜冰呢？

虽然冰如此滑的原因找到了，但许多人想知道：我们还能在什么地方滑冰？正如利默解释的那样，“基本上所有的固体在接近它们熔化温度”时，表面都会形成非常稀薄的液态层。水银在零下39摄氏度时会结冰，但要使水银溜冰场保持如此低的温度，需要消耗太多的能量。另外，水银是一种很强的神经毒素。

镓呢？这是一种熔点在29.8摄氏度的金属，对于溜冰场来说有点儿热。但是想象一下，滑冰者在银镜般的镓表面上做舞蹈运动的场景。利默说：“这听起来是个好主意，只要确保你的溜冰鞋不是铝制的就行！因为当铝与镓相互作用时，它会变得非常脆。” 虽然固态镓在其熔点附近会变得更滑，但它是否足够滑，甚至可以溜冰呢？或许只有真正试验过才能找出真相。（小小）

来源：网易科学人

编辑：AI

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