短跑運動員常被人冠以“飛人”的名号，比如博爾特，速度能達到37.5千米/小時。這已經夠快的了，但是在冰刀的幫助下，速滑運動員們在賽場上能達到50千米/小時以上的高速。而橇車類項目，速度甚至能夠達到140千米/小時。
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能達到這麼高的速度，除了運動員的艱苦訓練和研發人員的努力，最根本的原因就是，冰，它是滑的……乍一聽這是句廢話，但深究起來，卻會發現事情并不簡單，冰，它怎麼就滑了呢？
冰這麼滑，其實是因為水。
我們都學過一點實體學，知道所謂的“幹磨”摩擦力會更大，比如門上的軸久不潤滑，開合起來就既費力又會發出刺耳的聲音，但是如果加入了潤滑劑，比如潤滑油，開關門一下子就變得既安靜又輕松了。冰上同樣也是如此，冰刀跟冰之間存在着一層水膜，起到潤滑的作用，讓冰刀受到的阻力大大降低，得以高速滑行。
但是，這水是怎麼來的呢？這個問題可就有不少争議了，接下來我們就好好聊聊。
01
水是壓出來的嗎？
一種流傳已久的理論認為，冰在表面壓強變大的時候，熔點會降低，冰刀就是這樣把冰面“壓”化變成水的。還有個很經典的科普小實驗可以證明這一點，将兩頭綁着重物的鐵絲跨在冰塊上，冰塊接觸鐵絲下沿的部分就會融化讓鐵絲陷進去，而鐵絲經過後，融開的冰又能凍成一體。最後鐵絲會穿過冰塊，而冰塊不會斷開，就是這個原理。
按照這個理論，速滑冰刀看起來非常窄，厚度1.4毫米左右，實際接觸冰面的面積非常小，而短道速滑的冰刀更是有一點點弧度，接觸冰面面積更小。這樣一來，冰刀作用在冰上的壓強就很大，導緻接觸部分的冰熔點降低，這樣就能産生潤滑的水層了……嗎？
雖然聽起來合情合理，壓強增加導緻冰的熔點降低也确有其事，但是很遺憾，這個理論是錯誤的。
因為，經過研究者計算，一個體重約為70千克的速滑運動員，穿好冰刀站在冰上，觸冰面積按0.0001平方米計算，在這種情況下，才不過能夠讓受壓的冰的熔點降低0.5℃而已。但實際上比較适合速滑的冰面溫度，通常在-5℃~-9℃，這0.5℃的改變，無異于杯水車薪。
而且，我們也可以發現，一方面，厲害的速滑運動員往往身材比較勻稱修長，并不需要那種大體重的肌肉猛人來壓冰，另一方面，就算是體重很輕的小朋友，隻要學會了動作，照樣能夠滑得飛快，是以，結合理論計算和常識來看，滑冰時潤滑的水，恐怕不是靠“壓”出來的。
02
水是蹭出來的嗎？
還有一種理論認為，冰刀滑動會産生摩擦，而摩擦可以生熱，熱量能夠化冰産生水，讓冰面更滑。
為了驗證這一點，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，刨了一個冰洞，用下面這個複雜的裝置進行了實驗。那裡的溫度較為恒定，不會超過-3℃，而且空氣污染極少，能降低對實驗的幹擾。之是以選在這裡做實驗，可能是因為當年條件所限，普通實驗室裡不友善。
摩擦裝置，來自參考文獻[1]
簡單總結一下這個實驗的原理，就是凍出一塊平整的圓形冰面（圖中的C），然後放一個滑塊（圖中的I）在冰面上，之後用馬達驅動冰面轉動，測試不同溫度、不同配重下産生的摩擦力。結果發現溫度越低，就越難以形成水膜，摩擦力也就越大，這也是為什麼戶外冰場溫度太低會感覺到冰比較澀。而長時間實驗時，則能發現摩擦處冰面有明顯的融化痕迹。
冬奧賽場上還有個項目能夠從側面證明這一點，那就是冰壺。掃冰手使用刷子在場地上高速摩擦，産生的熱量能夠稍微融化冰壺場地上的小冰粒，讓冰壺滑得更遠，進而微調冰壺的路線。
冰壺場地放大圖 來自參考文獻[2]
可能還有些朋友會感到疑惑，那麼大個刷子使勁來回刷冰産熱可以想象，但速滑的時候，冰面有那麼大一塊，窄窄的冰刀蹭那麼一下，真的能夠把冰蹭化嗎？其實，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，據鮑登和休斯估算，短時間内的摩擦熱，如果集中在小小的一點上，就足以使那一點點冰從-20℃升高到0℃。而要潤滑冰刀與冰面，隻需要一點點水就夠了，而就如前文所述，室内速滑場地冰面溫度不會低于-10℃。
原來冰滑靠的是摩擦生熱，看到這裡我們可能會得出這樣的結論。但是，事情真的到此為止了嗎？如果水隻靠摩擦産生的話，那為什麼有時候人站在冰面上，也可能滑倒呢？這就與冰本身的性質有關了。
03
水是冰自帶的嗎？
我們往往認為，冰就是冰，是固體，水就是水，是液體，除非溫度超過了冰的熔點，不然冰就是幹的，那麼這種想法正确嗎？
發現電磁感應現象，奠定了電磁學基礎的法拉第，真的為弄清這個問題玩過冰塊……他曾經做過實驗，将兩塊冰塊靠近輕輕接觸，結果這兩塊冰立刻凍在了一起很難分開。于是法拉第得出結論，這冰塊的表面肯定有一層類似液體的結構。
而後人的實驗，還真的發現，就算溫度低于熔點，冰的表面也确實存在這樣一層結構，原因可能是水分子的振動和彼此的互相作用。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構，來自文末參考文獻[3]
不過，都折騰到這地步了，科學家們還不滿足。2019年發表在Nature雜志上的一項研究進一步證明，這層水膜，裡頭其實還有一點碎冰，黏度、彈性等性質也與水或冰有所差別，而更接近于油，研究者們認為正是這種性質讓冰刀得以在冰上飛速前進[5]。
到現在終于可以總結一下了，冰上項目之是以能這麼快，主要原因就是冰跟冰刀之間有一層水膜(裡頭混着點冰)，這大大降低了摩擦力，而這個水膜的來源，主要是來自冰刀與冰面摩擦生熱融化了冰，再加上冰面本來自帶的水膜。需要注意的是，這層水膜不是越厚越好，因為水膜太厚摩擦力反而會增加，是以速滑冰場表面溫度通常在-5℃~-9℃，不會過高。
不過這還沒有完，從運動的角度來說，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，這樣就能讓冰早點化出點水來潤滑（但正式比賽會檢查刀刃溫度，加熱是不允許的），再比如可以使用一些潤滑劑，配合水來增加刀刃和冰之間的潤滑度（冰上項目的國際比賽不允許這麼做，但是滑雪項目給滑雪闆打蠟是可以的），此外就是不斷地優化冰刀的幾何形狀和材料，以便更好地創造和利用水膜，來達到減阻的效果了。
給滑雪闆打蠟 | 圖蟲創意
人利用光滑的冰面來搬運重物，可追溯到至少公元前7000年，而為了弄清冰為什麼這麼滑，人們則一直研究了近200年，在這個過程中，我們可以發現，就算是司空見慣的現象，如果深挖的話，背後的原理可一點都不簡單啊。
作者 | 丁 崝
稽核 | 姬 揚 中國科學院半導體研究所 研究員
責編 | 丁 崝
參考資料：
[1] Bowden, F. P., & Hughes, T. P. (1939). The Mechanism of Sliding on Ice and Snow. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 172(949), 280–298.
[2] Lozowski, Edward P., Szilder, Krzysztof, Maw, Sean, Morris, Alexis, Poirier, Louis, and Berni Kleiner. "Towards a First Principles Model of Curling Ice Friction and Curling Stone Dynamics." Paper presented at the The Twenty-fifth International Ocean and Polar Engineering Conference, Kona, Hawaii, USA, June 2015.
[3] Kietzig, A. M. , S. G. Hatzikiriakos , and P. Englezos . "Physics of ice friction." Journal of Applied Physics 107.8(2010):4.
[4] Blau P J . Friction Science and Technology: From Concepts to Applications, Second Edition[M]. 2008.
[5] Guoying, Bai, Dong, et al. Probing the critical nucleus size for ice formation with graphene oxide nanosheets.[J]. Nature, 2019, 576(7787):437-441.
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來源：科學辟謠
編輯：荔枝果凍