为什么冰面能滑冰？滑冰的原理是什么？

滑冰，既是一项娱乐项目，也是一项比赛项目。其实早在我国宋代就已经开始了滑冰这项运动，当时的滑冰叫做“冰嬉”，直至如今沿用了“滑冰”这个更加言简意赅的词。许多人会滑冰，尤其是北方人，而南方由于气候相对温和，少冰，因此只能在室内滑冰。但是会滑冰不一定代表懂滑冰，滑冰的原理到底是什么你知道吗？为什么靠着两片薄薄的冰刃可以在冰面上自由驰骋呢？

冰的表面

在微观层面上，人们对冰的了解甚少。但是研究冰的表面如何因磨损而融化和流动的实验有助于解释支撑冬季运动的极低摩擦力。

人们普遍认为，滑冰是由于冰的表面形成一层水，这层水可以起到润滑滑冰的作用。但是研究表明，尽管确实冰表面存在一层某种物质，但它不仅仅是水的润滑层，它具有惊人的流动特性，这与散装水的流动特性非常不同，介于液态水和冰之间。

自19世纪以来，人们就接受了一种观点，那就是融水的薄膜可以使冰表面变滑。人们认为这一层薄膜应该出现在溜冰鞋或其他在冰上滑行的物体下面。因此，关于这个问题的大多数争论是关于冰层的起源的，那么它到底是由于表面熔化、与滑冰鞋摩擦有关的加热，还是压力引起的融化？一直以来关于压力融化的说法在很大程度上被忽略了，因为这一过程在零下20°C以下的冰是不可能发生的，但是人们在如此低的温度下滑冰是可能的。而表面融化和摩擦加热似乎也不太可能解释，因为这些现象并不仅限于固态水冰，而冰几乎是唯一可以在上面滑冰的材料。

同样科学家迷惑的是融水层的机械性能，我们知道液体的润滑与否主要取决于它从两个摩擦表面之间的间隙中被挤出的阻力，而且通常需要厚厚的润滑脂才能起到良好的润滑作用。水不是一种好的润滑剂，因为它的低粘度意味着它很容易被挤出缝隙。因此，那些认为一层水就足以使冰鞋在冰上起润滑作用的想法是不可能的。它甚至没有直观的意义，因为你可以想象在马路上或厨房地板上滑一层水是不可能的。

微观滑冰实验

于是科学家利用一个类似于大型音叉的实验装置，同时通过测量表面产生的摩擦进而测量了冰的摩擦系数以及润滑层的特性。叉子是用来振动的，它可以通过一个附着在叉子上的毫米级玻璃珠在冰面上振动。因此，这颗珠子就像一个小小的溜冰鞋，可以在同一块冰上滑行数十微米的距离。随后科学家研究了润滑物体在冰上滑动产生的薄层融水，他们把一个毫米大小的玻璃珠连接到一个宏观层面的铝音叉上。叉是用来振动的，可以使得珠子在冰面上振动。叉子上的加速度计测量了珠子与表面平行和垂直振动的振幅。从这些测量中，可以计算出珠和冰之间的摩擦以及润滑层的流动特性。随后科学家观察到这一层的粘性和弹性表明它是由水和冰粒子的混合物组成的，而不是一层简单的水薄膜。

科学家将一个加速度计连接在与珠子相同的叉子上，测量了珠子平行于表面的振荡振幅，并将其与驱动力的振幅进行了比较。与此同时，通过垂直于冰面的微珠的微小振动，使科学家能够探测润滑层的特性。他们使用了与测量平行运动相似的方法来测量作用在垂直于表面的珠上的力，玻璃和冰之间的摩擦系数可以根据两种测量力的比值计算出来。

与此同时，科学家不仅测量了垂直运动的振幅变化，而且还测量了产生这些珠子振动的驱动力所花费的时间。这使得作者能够测量冰的润滑层的机械阻抗，这是一种对珠子施加的力的阻力的测量，这些测量反过来又与润滑层的流动特性相关。

综上所述，科学家的测量使摩擦和润滑层的流变性能同时得到探测。实验结果表明，润滑层对其上滑动的物体具有粘弹性响应。这不仅不同于散装水的行为，而且也不同于冰的行为。因此，结果表明，滑冰需要的不仅仅是一层水。

到底发生了什么

以前人们曾用精密的光谱技术来研究不同温度下冰的表面，结果发现冰的融化是不连续的，通过冰分子的连续两层，第一层冰在70℃左右融化，第二层冰在20℃左右融化。然而，在相同温度范围内的摩擦测量表明，表面的摩擦不随双层材料的熔化而改变。因此，冰的滑溜性似乎不仅取决于它在融化过程中的表面特性，还取决于它与冰的相互作用。

这一项实验支持了这一观点，在同一地点反复滑动会产生水和冰的混合物，在荷载作用下表现出弹性(来自冰)和粘性(来自水)。由此产生的材料层将比普通的水更难从缝隙中挤出来。这项研究结果至少在一定程度上可以解释该层优异的润滑性能。

这项新研究还为解释为什么滑冰对冰如此特殊提供了一个线索，那就是润滑的摩擦和伴随的磨损常常导致在两个摩擦物体之间形成一层不同的物质，即第三个物质。由于这一过程依赖于摩擦物体表面磨损的特定方式，甚至常常依赖于摩擦引发的化学反应，所以第三个物质的形成在很大程度上是系统特有的。换句话说，很少有材料能在摩擦和磨损下形成粘弹性、液-固第三体。

总结

但是关于滑冰还有更多知识和问题等待着我们去挖掘和解答，例如所观察到的冰层在原始冰上形成的速度是否足够快，能够在接触时起润滑作用？这层冰的存在如何解释滑冰的最佳温度是-7摄氏度？这也是所有速度溜冰场的保持温度。

因此除了了解滑冰之外，对一些薄的润滑膜的性能进行详细的测量也是非常有研究价值的，因为许多这样的膜并没有表现出与散装润滑油相同的性能，而且润滑中第三个物体的起源和作用在很大程度上还是一个悬而未决的问题。这些都是很重要的问题，因为润滑常常是减少摩擦的唯一途径，而据估计，摩擦消耗了全世界20%的能源，但是没有摩擦，我们无法生存下去，至少目前来说是这样。

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