一块冰的“滑”稽秘密：凭什么能让冬奥选手贴地“飞行”？

随着米兰冬奥的倒计时悄然开启，全世界的目光都在向那片纯净的冰面聚焦。

从古到今，滑冰都是一项风靡的运动，从一舞动人，靠冰嬉重夺盛宠的安陵容，到冬奥会上吸引人眼球的花样滑冰，人们对冰总是爱恨交织，既怕摔倒，又向往冰上的自由灵动。有人在冰上翩然起舞，有人则即兴解锁一段地板舞。我们享受着滑冰的乐趣，却也恐惧脚底打滑的瞬间。我们总是在说“滑”冰，那你知道，“冰为什么滑”吗？

滑冰图（图片来源[1][2]）

教科书里一直流传着关于“压力”和“摩擦”的经典解释。但当我们剥开宏观世界的表象，用现代物理学的微观视角重新审视时，会发现那些被视为常识的理论其实并不完美。真正的答案，隐藏在分子间一场看不见的电荷博弈之中。

被误解百年的“常识“

压融理论

如果我们试图用最直觉的方式解释冰面的光滑，大多数人都会想到“压力”。这就引出了物理学史上最著名的解释之一——“压融理论”[3]。早在19世纪，科学家们就注意到水有一个奇特的性质：结冰时体积会膨胀。根据热力学原理，如果你对冰施加巨大的压力，就应该能迫使它收缩体积，变回液态的水。因此，经典的理论认为：当你站在冰上时，你身体的重量对冰面施加了压力，这层压力把脚下的冰瞬间压成了水，这层水膜就像润滑油一样让你滑倒。

这个理论听起来非常完美，逻辑无懈可击，以至于统治了教科书近两个世纪。但只要我们稍微动用一点数学工具，就会发现其中的破绽。根据描述压力与熔点关系的克劳修斯-克拉佩龙方程[4]：

这个方程精确描述了压强变化（dP）如何影响相变温度（dT）。为了方便估算，我们也常用它的近似形式来计算温度的变化：

叮！一个小问答

Q

“假设一个体重70公斤的成年人站在冰面上，他对冰面产生的压强会让冰面的熔点降低多少？”

根据克劳修斯-克拉佩龙方程计算，这点压强顶多只能让冰的熔点降低约 0.0075 摄氏度。也就是说，如果气温是零下5度，你的体重根本不足以把脚下的冰压成水。除非你是一头大象，并且还要穿上高跟鞋，才有可能通过压力融化冰面。

A

摩擦生热说

既然压力不够，人们又提出了“摩擦生热说”[5]。当你飞速滑行时，冰刀与冰面的剧烈摩擦确实会产生热量化冰。但这依然解释不了一个最简单的生活场景：为什么当你小心翼翼、几乎静止地站在结冰路面上时，依然会感觉到脚底打滑？此时可没有产生足够的摩擦热。

很显然，传统的物理学解释在面对冰的“绝对光滑”时，显得捉襟见肘。我们需要一个新的视角，去探索冰面之下更深层的秘密。

传统的融冰理论（图片来源[6]）

微观世界的“电荷之舞”

随着超级计算机模拟技术的发展，物理学家们终于有机会深入到肉眼看不见的分子层面。最新的研究结果彻底颠覆了我们的认知：冰之所以滑，不是因为压力把冰压化了，也不是摩擦把冰烫化了，而是冰表面天然就存在一种特殊的“无序层”[7]。要理解这一机制，我们必须先认识一下水分子独特的性格。

水分子（H₂O）在微观世界里就像一个个微小的磁铁，我们称之为“分子偶极子”。虽然水分子整体是电中性的，但在其内部，氧原子一端带有微量的负电荷，而氢原子一端带有微量的正电荷。这种电荷分布的不均匀，赋予了水分子极性。

水分子的偶极子结构图（图片来源[8]）

在冰的内部，亿万个水分子像训练有素的士兵，手拉手排列成整齐坚固的晶格结构（通常是六边形）。在这种状态下，它们互相锁定，整体表现出一种稳定的构型。然而，当我们把视线移到冰的表面——也就是冰与你的鞋底接触的那一层，情况发生了剧变。无论你的鞋底看起来多么平整，在微观层面，它也是由无数带电荷的原子构成的。当你踏上冰面的那一刻，鞋底材料中的偶极子开始与冰表面的水分子偶极子发生相互作用。这就好比原本整齐列队的方阵，突然闯入了一群方向不定的干扰者。

这种微观层面的电荷干扰，引发了一种奇妙的物理现象，科学家们形象地称之为“受挫状态”。想象一下冰表面的水分子此刻的处境：一方面，底下的冰层试图拉住它们，让它们保持整齐的晶体队形；另一方面，头顶上的鞋底偶极子通过静电力在拉扯它们，迫使它们转向。

冰表面晶格崩塌的微观示意图（图片来源[7])

在这种“上下夹击”的纠结中，冰表面的晶体结构彻底崩溃了。表层分子无法再维持固定的位置，它们变得杂乱无章、随波逐流。在物理学上，这种从“有序晶体”变成“无序状态”的过程，本质上就是固体变成了流体。

这就是冰面变滑的终极答案：不是热量融化了冰，而是电荷的相互作用“撕碎”了表面的晶格结构。这层由混乱分子组成的薄膜，本质上是一层“自发形成的液态润滑剂”。它不需要高温，不需要高压，只要有接触，这种微观的结构崩塌就会发生，让你在瞬间失去抓地力。

极境悖论

这一新理论不仅解释了常温下的滑倒，还打破了关于极寒环境的另一个误区。过去，滑冰爱好者普遍认为，如果气温低至零下几十度，冰面就会变得像砂纸一样粗糙，因为“太冷了，压不出水来了”。但最新的分子动力学模拟告诉我们：这种偶极子效应在极低温度下依然存在[7]。即便是在接近绝对零度（-273.15℃）的极端环境中，只要存在接触面，冰表面的偶极子就会因为外界干扰而陷入无序。也就是说，那层“液态润滑膜”依然存在。

既然如此，为什么我们在极冷的天气里确实感觉冰面变涩了呢？

答案在于黏度。研究发现，随着温度降低，这层由偶极子混乱产生的液态膜会变得越来越黏稠。在极低温度下，它的物理性质更像是一层极高黏度的蜂蜜，甚至是沥青，而不是我们常见的自来水。

所以，并非润滑层消失了，而是它变得太黏了，以至于宏观上产生了较大的阻力，让我们误以为冰面不再光滑。

微观世界的宏观回响

从“压力融化”到“摩擦生热”，人类为了解释脚底下的这一滑，花费了近两百年的时间。最终，我们将目光锁定了微观世界的电荷。

冰面之滑，并非源于宏观力量的暴力破坏，而是源于分子间一场悄无声息的“电磁对话”。当你下次在结冰的路上小心翼翼地行走时，不妨想一想：你脚下那层让你胆战心惊的薄膜，正是微观世界中偶极子相互作用的宏观展现。这种微观层面的“混乱”，恰恰构成了我们宏观世界中原本坚硬冰面上最危险、也最迷人的特性。

参考文献:

[1] http://xhslink.com/o/4Ar1HgKkje7

[2]http://xhslink.com/o/3Y7DY8GaKzj

[3] JIA Hai-liang, WANG Ya-biao, WEI Yao, HU Bin-hua, JIN Long, DONG Yuan-hong, TANG Li-yun, . A resistivity-based study on the pressure melting of pore ice in frozen gravel soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2024, 45(8): 2221-2231.

[4] https://zh.wikipedia.org/wiki/克劳修斯-克拉佩龙方程

[5] https://baike.baidu.com/item/摩擦生热/1194305

[6]https://www.doubao.com/chat/36503957435650050

[7]Atila A, Sukhomlinov SV, Müser MH. Cold Self-Lubrication of Sliding Ice. Phys Rev Lett. 2025 Aug 8;135(6):066204. doi: 10.1103/1plj-7p4z. PMID: 40864940.

[8]我们不知道答案的125个科学问题(46)水的微观结构 - 知乎

来源：力学科普

编辑：东君

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