“冰为什么是光滑的?”为这个问题找到一个科学的解释似乎很简单，但实际上，几个世纪以来，这一直是一个备受争议和令人困惑的主题。随着世界上大部分地区的人们开始为过冬做准备，我们来探索光滑的冰是如何让我们能够滑雪、滑冰，甚让我们在停车场摔倒背后的科学。
冰:一个难以捉摸的研究课题
水是一种复杂的化合物。与大多数液体相反，水在结冰时密度更小，因此它的固体比液体轻(可以用漂浮在一杯水中的冰块来说明)。
当我们手里握着一块冰时，它会变得很滑，因为被我们温暖的身体融化了。那么，为什么在冻结温度下，当我们在溜冰场散步或滑冰时，还能在冰上滑倒呢？
当然，在这么寒冷的环境下，冰不会融化，对吗？直到最近，关于冰为什么会滑的公认理论认为，来自身体的压力产生的热量融化了冰，导致它变得很滑。然而，冰为什么会滑的真正答案还需要更多的研究、辩论和思考。
多年来，冰被证明是一个复杂的研究课题。
接下来，让我们仔细看看为什么冰是滑的。
科学辩论的“滑坡谬误”
关于冰为什么会滑的最初理论主要集中在压力融化理论上。该理论认为，当对冰施加压力时，冰的顶层会融化，形成一层薄薄的水，让我们可以滑冰、滑雪和滑行。压力融化理论是基于在特定的高压范围内，水的冻结温度低于 0℃ 这一事实建立的，如参考文献 1中的图2所示。
由于很多原因，压力融化理论并不能完全解释冰为什么是滑的。例如，想象冰面上薄而尖的溜冰鞋。来自薄冰刀的压力可能是集中的，但这个压力还不足以解释冰在低温下的融化(参考文献 1)。
在 19 世纪 80 年代，一位名叫约翰·乔利（John Joly）的工程师试图证明压力融化是我们能够滑冰的原因。他计算出一个冰刀边缘的压力为 466 个大气压，熔点为 -3.5°C。乔利从未解释过为什么温度低于 -3.5°C 时滑冰也是可能的，这是矛盾的，因为大多数滑冰者更喜欢至少是 -5.5°C 的冰(参考1)。
压力融化理论也不能解释一个人的脚、滑雪撬或滑雪板是如何在冰冻的冰雪上滑动的。由于所有这些项目的压力分布都比一个冰鞋要小，它们怎么可能在低温下产生足够的热量，从而导致显著的冰融化呢?
《滑冰的牧师》（Henry Raeburn）
另一种理论——摩擦加热，认为来自滑冰、滑雪或行走的摩擦产生的热量融化了冰的表层。这会形成了一层薄薄的水，类似于压力融化理论，物体可以在上面滑动。然而，摩擦加热并不能解释为什么人站着不动就能在冰上滑倒。
找到冰为什么会很滑的答案
直到最近，关于冰为什么会很滑的谜团还没有解开。令人惊讶的是，近两个世纪前的一个观察结果推动了这项研究的突破。1850年，英国物理学家和化学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）将两块冰块粘在一起，观察到它们相互冻结。他推测，每个冰块上都有肉眼看不见的薄薄的液体层，这些液体薄层冻结在一起，导致冰块粘在一起。
这一观察结果使人们相信，即使在远低于冰点的温度下，冰的表面也有一层薄薄的液体层。这一过程被称为预融化，当冰的熔点形成液体层时就会发生这个过程。在分子层面上，之所以会发生预融化，是因为在冰层最上层的分子振动时，没有什么东西把它们连接在一起(比如另一层冰分子)。
两相之间的预融过程示意图。图片由 Aetherwind 提供自己的作品。通过Wikimedia Commons获得CC BY-SA 3.0许可。
仅仅预融过程还不能解释冰为什么很滑，也不能解释为什么我们能轻松地滑雪滑冰。无论是来自滑雪板、滑板，还是鞋子，都需要结合预融化和预融化冰层的摩擦力的共同作用，才能导致滑移。这个相对较新的和被接受的理论就是我们现在用来解释滑冰的理论。
进一步的研究
我们很难在分子水平上对冰的行为进行实验研究。我们不能研究冰和滑动物体之间的接触面(被称为埋置界面)，因为物体阻挡了我们散射电子或粒子的地方。然而，有实验数据表明，冰的温度和滑动物体的速度是如何影响摩擦力的。
德国于利希研究中心（Jülich Research Center）最近关于冰的滑溜性的研究促进了一个数学方程的发展，该方程考虑了剪应力和冰的温度，以便将其与实验数据联系起来。这项研究表明，埋置界面表现出预融行为，就像冰的自由表面一样。这项研究的结果表明，在一定的速度和温度范围内，冰摩擦是滑动速度和温度的函数。
冰雪条件如何影响冬季运动
我们现在知道，冰之所以很滑是因为预融化和摩擦的综合作用，但这一信息与冬季运动有什么关系呢?
冰的条件和周围的环境在各种冬季运动中发挥着一定作用。接近整体融化温度的冰被称为“软冰”，会导致滑冰的速度变慢。例如，花样滑冰的最佳温度是 -5.5°C，因为滑冰选手喜欢“软冰”来平衡着陆。另一方面，曲棍球运动员在更冷、离整体融化温度更低的冰上练习。冰球运动员喜欢的冰的最佳温度是 -9°C，这种冰更“硬”，因此也能更快滑行 (参考文献 1)。
在速滑运动中，选手的滑冰时间也受到冰况的影响。我的同事范德林登(Ad van der Linden)说，在大约 60 年前用于速滑的人工溜冰场出现之前，冰上条件对滑冰运动员来说还远远不够。在那些日子里，比赛就像中彩票一样，滑冰选手必须在北极的户外比赛，而且天气条件经常变化。如今，室内温控溜冰场在滑冰条件方面为比赛提供了更多的公平性。用专门的机动设备定期重新铺设冰面有助于进一步减少不平等的滑冰条件。
我的两个同事在公司的体育赛事上滑冰。
然而，在今天的速滑运动中，即使是重铺冰面的间隔也成为了一个讨论的焦点。在表面重铺过程中，冰会被一层薄薄的水覆盖，水会在现有的表面上冻结。在重新铺设的冰面上，滑冰的时间相对较慢。大约 10~15 分钟后，在冰面开始使滑冰者减速之前，有一个最佳的溜冰时间。但是，由于顶级速滑选手完成400米一圈需要 30 秒或更少的时间，因此“快”和“慢”冰之间的差异仅为几分之一秒。因此，在表面重铺后直接溜冰可能更多的是心理上的劣势，而不是实际的劣势。
对于滑雪和单板滑雪来说，你仍然可以在极低的北极温度下滑行，甚至低至-30°C，因为在如此寒冷的温度下冰和雪仍然会预融化。在低于这一温度的情况下(一般滑雪者很少遇到这种情况)，雪可能会太冷了，运动设备无法通过。一些专家甚至将这种温度下的雪况描述为“沙状”(参考文献 1)。
对冰特性的进一步研究可以帮助竞技花样滑冰运动员、速滑运动员、滑雪者和单板滑雪运动员提高他们的表现。它还可用于雪地轮胎和专用冬季鞋的设计和开发。
如果你还做过与冰相关的任何其他研究，欢迎在评论区留言!
参考文献
R. Rosenberg.Why Is Ice Slippery?.Physics Today. Dec. 2005; 50-55.
拓展资源
- 了解更多关于当前的研究:“新理论描述了冰的滑行为”
- 阅读一篇有关花样滑冰的博客文章:借助测量仪避免花样滑冰中的节关应力损伤
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