短跑運(yùn)動(dòng)員常被人冠以“飛人”的名號(hào)，比如博爾特，速度能達(dá)到37.5千米/小時(shí)。這已經(jīng)夠快的了，但是在冰刀的幫助下，速滑運(yùn)動(dòng)員們?cè)谫悎?chǎng)上能達(dá)到50千米/小時(shí)以上的高速。而橇車類項(xiàng)目，速度甚至能夠達(dá)到140千米/小時(shí)。
能達(dá)到這么高的速度，除了運(yùn)動(dòng)員的艱苦訓(xùn)練和研發(fā)人員的努力，最根本的原因就是，冰，它是滑的……乍一聽(tīng)這是句廢話，但深究起來(lái)，卻會(huì)發(fā)現(xiàn)事情并不簡(jiǎn)單，冰，它怎么就滑了呢？
冰這么滑，其實(shí)是因?yàn)樗?/p>
我們都學(xué)過(guò)一點(diǎn)物理學(xué)，知道所謂的“干磨”摩擦力會(huì)更大，比如門上的軸久不潤(rùn)滑，開(kāi)合起來(lái)就既費(fèi)力又會(huì)發(fā)出刺耳的聲音，但是如果加入了潤(rùn)滑劑，比如潤(rùn)滑油，開(kāi)關(guān)門一下子就變得既安靜又輕松了。冰上同樣也是如此，冰刀跟冰之間存在著一層水膜，起到潤(rùn)滑的作用，讓冰刀受到的阻力大大降低，得以高速滑行。
但是，這水是怎么來(lái)的呢？這個(gè)問(wèn)題可就有不少爭(zhēng)議了，接下來(lái)我們就好好聊聊。
水是壓出來(lái)的嗎？
一種流傳已久的理論認(rèn)為，冰在表面壓強(qiáng)變大的時(shí)候，熔點(diǎn)會(huì)降低，冰刀就是這樣把冰面“壓”化變成水的。還有個(gè)很經(jīng)典的科普小實(shí)驗(yàn)可以證明這一點(diǎn)，將兩頭綁著重物的鐵絲跨在冰塊上，冰塊接觸鐵絲下沿的部分就會(huì)融化讓鐵絲陷進(jìn)去，而鐵絲經(jīng)過(guò)后，融開(kāi)的冰又能凍成一體。最后鐵絲會(huì)穿過(guò)冰塊，而冰塊不會(huì)斷開(kāi)，就是這個(gè)原理。
按照這個(gè)理論，速滑冰刀看起來(lái)非常窄，厚度1.4毫米左右，實(shí)際接觸冰面的面積非常小，而短道速滑的冰刀更是有一點(diǎn)點(diǎn)弧度，接觸冰面面積更小。這樣一來(lái)，冰刀作用在冰上的壓強(qiáng)就很大，導(dǎo)致接觸部分的冰熔點(diǎn)降低，這樣就能產(chǎn)生潤(rùn)滑的水層了……嗎？
雖然聽(tīng)起來(lái)合情合理，壓強(qiáng)增加導(dǎo)致冰的熔點(diǎn)降低也確有其事，但是很遺憾，這個(gè)理論是錯(cuò)誤的。
因?yàn)椋?jīng)過(guò)研究者計(jì)算，一個(gè)體重約為70千克的速滑運(yùn)動(dòng)員，穿好冰刀站在冰上，觸冰面積按0.0001平方米計(jì)算，在這種情況下，才不過(guò)能夠讓受壓的冰的熔點(diǎn)降低0.5℃而已。但實(shí)際上比較適合速滑的冰面溫度，通常在-5℃~-9℃，這0.5℃的改變，無(wú)異于杯水車薪。
而且，我們也可以發(fā)現(xiàn)，一方面，厲害的速滑運(yùn)動(dòng)員往往身材比較勻稱修長(zhǎng)，并不需要那種大體重的肌肉猛人來(lái)壓冰，另一方面，就算是體重很輕的小朋友，只要學(xué)會(huì)了動(dòng)作，照樣能夠滑得飛快，所以，結(jié)合理論計(jì)算和常識(shí)來(lái)看，滑冰時(shí)潤(rùn)滑的水，恐怕不是靠“壓”出來(lái)的。
水是蹭出來(lái)的嗎？
還有一種理論認(rèn)為，冰刀滑動(dòng)會(huì)產(chǎn)生摩擦，而摩擦可以生熱，熱量能夠化冰產(chǎn)生水，讓冰面更滑。
為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，早在1939年，鮑登和休斯，就在海拔3346米的瑞士少女峰研究站附近，刨了一個(gè)冰洞，用下面這個(gè)復(fù)雜的裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。那里的溫度較為恒定，不會(huì)超過(guò)-3℃，而且空氣污染極少，能降低對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。之所以選在這里做實(shí)驗(yàn)，可能是因?yàn)楫?dāng)年條件所限，普通實(shí)驗(yàn)室里不方便。
摩擦裝置，來(lái)自參考文獻(xiàn)[1]
簡(jiǎn)單總結(jié)一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理，就是凍出一塊平整的圓形冰面（圖中的C），然后放一個(gè)滑塊（圖中的I）在冰面上，之后用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)冰面轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)試不同溫度、不同配重下產(chǎn)生的摩擦力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度越低，就越難以形成水膜，摩擦力也就越大，這也是為什么戶外冰場(chǎng)溫度太低會(huì)感覺(jué)到冰比較澀。而長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)時(shí)，則能發(fā)現(xiàn)摩擦處冰面有明顯的融化痕跡。
冬奧賽場(chǎng)上還有個(gè)項(xiàng)目能夠從側(cè)面證明這一點(diǎn)，那就是冰壺。掃冰手使用刷子在場(chǎng)地上高速摩擦，產(chǎn)生的熱量能夠稍微融化冰壺場(chǎng)地上的小冰粒，讓冰壺滑得更遠(yuǎn)，從而微調(diào)冰壺的路線。
冰壺場(chǎng)地放大圖 來(lái)自參考文獻(xiàn)[2]
可能還有些朋友會(huì)感到疑惑，那么大個(gè)刷子使勁來(lái)回刷冰產(chǎn)熱可以想象，但速滑的時(shí)候，冰面有那么大一塊，窄窄的冰刀蹭那么一下，真的能夠把冰蹭化嗎？其實(shí)，從微觀角度看，冰面和冰刀刀刃都不是光滑的，而是有很多微小的溝溝坎坎，據(jù)鮑登和休斯估算，短時(shí)間內(nèi)的摩擦熱，如果集中在小小的一點(diǎn)上，就足以使那一點(diǎn)點(diǎn)冰從-20℃升高到0℃。而要潤(rùn)滑冰刀與冰面，只需要一點(diǎn)點(diǎn)水就夠了，而就如前文所述，室內(nèi)速滑場(chǎng)地冰面溫度不會(huì)低于-10℃。
原來(lái)冰滑靠的是摩擦生熱，看到這里我們可能會(huì)得出這樣的結(jié)論。但是，事情真的到此為止了嗎？如果水只靠摩擦產(chǎn)生的話，那為什么有時(shí)候人站在冰面上，也可能滑倒呢？這就與冰本身的性質(zhì)有關(guān)了。
水是冰自帶的嗎？
我們往往認(rèn)為，冰就是冰，是固體，水就是水，是液體，除非溫度超過(guò)了冰的熔點(diǎn)，不然冰就是干的，那么這種想法正確嗎？
發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，奠定了電磁學(xué)基礎(chǔ)的法拉第，真的為弄清這個(gè)問(wèn)題玩過(guò)冰塊……他曾經(jīng)做過(guò)實(shí)驗(yàn)，將兩塊冰塊靠近輕輕接觸，結(jié)果這兩塊冰立刻凍在了一起很難分開(kāi)。于是法拉第得出結(jié)論，這冰塊的表面肯定有一層類似液體的結(jié)構(gòu)。
而后人的實(shí)驗(yàn)，還真的發(fā)現(xiàn)，就算溫度低于熔點(diǎn)，冰的表面也確實(shí)存在這樣一層結(jié)構(gòu)，原因可能是水分子的振動(dòng)和彼此的相互作用。這層膜的存在，能讓冰本身就比較滑溜。
納米尺度下冰的表面結(jié)構(gòu)，來(lái)自文末參考文獻(xiàn)[3]
不過(guò)，都折騰到這地步了，科學(xué)家們還不滿足。2019年發(fā)表在Nature雜志上的一項(xiàng)研究進(jìn)一步證明，這層水膜，里頭其實(shí)還有一點(diǎn)碎冰，黏度、彈性等性質(zhì)也與水或冰有所區(qū)別，而更接近于油，研究者們認(rèn)為正是這種性質(zhì)讓冰刀得以在冰上飛速前進(jìn)[5]。
到現(xiàn)在終于可以總結(jié)一下了，冰上項(xiàng)目之所以能這么快，主要原因就是冰跟冰刀之間有一層水膜(里頭混著點(diǎn)冰)，這大大降低了摩擦力，而這個(gè)水膜的來(lái)源，主要是來(lái)自冰刀與冰面摩擦生熱融化了冰，再加上冰面本來(lái)自帶的水膜。需要注意的是，這層水膜不是越厚越好，因?yàn)樗ぬ衲Σ亮Ψ炊鴷?huì)增加，所以速滑冰場(chǎng)表面溫度通常在-5℃~-9℃，不會(huì)過(guò)高。
不過(guò)這還沒(méi)有完，從運(yùn)動(dòng)的角度來(lái)說(shuō)，知道了原理，就有很多招可以用了。比如可以稍微給冰車冰橇的刀刃升溫，這樣就能讓冰早點(diǎn)化出點(diǎn)水來(lái)潤(rùn)滑（但正式比賽會(huì)檢查刀刃溫度，加熱是不允許的），再比如可以使用一些潤(rùn)滑劑，配合水來(lái)增加刀刃和冰之間的潤(rùn)滑度（冰上項(xiàng)目的國(guó)際比賽不允許這么做，但是滑雪項(xiàng)目給滑雪板打蠟是可以的），此外就是不斷地優(yōu)化冰刀的幾何形狀和材料，以便更好地創(chuàng)造和利用水膜，來(lái)達(dá)到減阻的效果了。
人利用光滑的冰面來(lái)搬運(yùn)重物，可追溯到至少公元前7000年，而為了弄清冰為什么這么滑，人們則一直研究了近200年，在這個(gè)過(guò)程中，我們可以發(fā)現(xiàn)，就算是司空見(jiàn)慣的現(xiàn)象，如果深挖的話，背后的原理可一點(diǎn)都不簡(jiǎn)單啊。