冰为什么那么滑？

来源： 科技日报

正在进行中的北京冬奥会让世界人民大饱眼福。短道速滑紧张刺激，运动员在弯道超越时的身姿可谓风驰电掣；花样滑冰高贵优雅，运动员在冰面起舞，“翩若惊鸿，婉若游龙”……

这一切的基础都离不开光滑的冰面。然而，冰为什么那么滑？

这个看起来再普通不过的现象，却困扰了科学家多年。

根据人们的生活经验，让物体变滑，油、蜡、水等润滑剂是最佳利器。它可以降低物体间的摩擦。而冰面之所以能够那么滑，正是因为有水作为天然润滑剂。当我们进行冰上活动时，实际上是站在冰最上面一层具有流动性的水膜上。

可是，这层水膜是从哪里来的？

19世纪50年代，科学家詹姆斯·汤普森提出，如果给冰施加压力，冰的熔点就会降低。也就是说，“冰在压力下会融化”。爱尔兰物理学家约翰·乔利将这个规律与滑冰联系起来，认为当人站在冰面上时，身体对冰面产生的压强会使冰的熔点低于0℃，让冰的表面融化，形成一层具有润滑作用的水膜，使冰面变滑。如果穿上有薄薄冰刀的滑冰鞋，那么施加在冰上的压强会更大，冰的熔点就会下降得更多，从而使得穿着冰鞋的运动员可以在冰面上肆意滑行。

然而，这个假说也有站不住脚的地方。

据计算，穿着冰鞋的成年人会给冰表面施加超过标准大气压400多倍的压强，能使冰的熔点降到-3.5℃。可是，在冬奥会比赛中，短道速滑、速度滑冰等项目的冰面温度甚至低于-5℃，单纯依靠压强并不会使冰面融化。更不用说东北地区户外气温甚至可以达到零下几十摄氏度。依据这个假说，东北的冰面应该难以融化形成水膜，也就很难在上面滑行了。

可事实并非如此。

1939年，来自英国剑桥大学的两位科学家弗兰克·鲍登和T·P·休斯提出，冰表面的水膜是因为摩擦生热导致冰融化的结果。他们认为，滑冰时冰刀与冰面的快速摩擦产生的热量可能是冰面融化形成水膜的主要原因。

可惜，后来人们证明，摩擦产生的水膜厚度明显小于冰面本身较为粗糙部分的厚度。这说明摩擦产生的水膜甚至不能填满冰层表面的“小水坑”，也就无法提供有效润滑作用。同时，摩擦生热产生水膜的说法也无法解释很多人在冰面上没有剧烈运动产生摩擦仍然因为冰面很滑而摔倒的现象。

随后，新的假说出现了：冰的表面会不会本身就存在一层水膜？

1987年，科学家通过X射线成像技术发现，冰面上应该存在一层非常薄的水分子层，厚度约在100纳米量级。这一发现证实了冰的表面确实存在着一层准液体。

当水结冰时，每一个水分子都会通过氢键抓住其周围的水分子，形成晶体结构。但是表层的水分子周围缺少其他水分子，因此没有办法形成如冰块内部那般规则的结构，只能杂乱无序地“游荡”在冰表面。一些研究团队甚至模拟出了水分子是如何在冰表面“游荡”的。

一项发表于《自然》杂志的研究显示，科学家通过设计一种可以“听”的测力仪，能够测量这层准液体的力学特性，并从微观角度探讨冰为什么滑。这套测力仪由类似音叉的装置和毫米大小的玻璃珠构成。在实验中，玻璃珠会像一个小冰刀一样，以几十微米的距离尺度在同一区域的冰面上滑行。用来振动的音叉上附有一个加速器，可以测量玻璃珠的振荡振幅，从而计算出玻璃珠和冰之间的摩擦系数。

最终，科学家发现这层准液体并非简单的水，而是水和微小碎冰的混合物。它像油一样黏稠，具有黏弹性。科学家认为，这正是冰为什么滑的秘密源头。

当然，冰上竞技运动中，冰刀的存在也让运动员如虎添翼。我国科学家发现，水膜中的微小碎冰充当了轴承滚珠的角色。当运动员脚踏冰刀飞速滑过时，冰刀产生的压强作用使得这些微小碎冰像珠子一样被捏爆，释放出来的液态水增加了原本的水膜厚度，使冰变得更加滑。

（实习记者 孙 瑜 资料来源：新华网、中科院物理所公众号、《科学世界》杂志等）

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