速滑凭啥这么快？
2022/3/8 科学辟谣
短跑运动员常被人冠以“飞人”的名号，比如博尔特，速度能达到37.5千米/小时。这已经够快的了，但是在冰刀的帮助下，速滑运动员们在赛场上能达到50千米/小时以上的高速。而橇车类项目，速度甚至能够达到140千米/小时。
图虫创意
能达到这么高的速度，除了运动员的艰苦训练和研发人员的努力，最根本的原因就是，冰，它是滑的……乍一听这是句废话，但深究起来，却会发现事情并不简单，冰，它怎么就滑了呢？
冰这么滑，其实是因为水。
我们都学过一点物理学，知道所谓的“干磨”摩擦力会更大，比如门上的轴久不润滑，开合起来就既费力又会发出刺耳的声音，但是如果加入了润滑剂，比如润滑油，开关门一下子就变得既安静又轻松了。冰上同样也是如此，冰刀跟冰之间存在着一层水膜，起到润滑的作用，让冰刀受到的阻力大大降低，得以高速滑行。
但是，这水是怎么来的呢？这个问题可就有不少争议了，接下来我们就好好聊聊。
01
水是压出来的吗？
一种流传已久的理论认为，冰在表面压强变大的时候，熔点会降低，冰刀就是这样把冰面“压”化变成水的。还有个很经典的科普小实验可以证明这一点，将两头绑着重物的铁丝跨在冰块上，冰块接触铁丝下沿的部分就会融化让铁丝陷进去，而铁丝经过后，融开的冰又能冻成一体。最后铁丝会穿过冰块，而冰块不会断开，就是这个原理。
按照这个理论，速滑冰刀看起来非常窄，厚度1.4毫米左右，实际接触冰面的面积非常小，而短道速滑的冰刀更是有一点点弧度，接触冰面面积更小。这样一来，冰刀作用在冰上的压强就很大，导致接触部分的冰熔点降低，这样就能产生润滑的水层了……吗？
图虫创意
虽然听起来合情合理，压强增加导致冰的熔点降低也确有其事，但是很遗憾，这个理论是错误的。
因为，经过研究者计算，一个体重约为70千克的速滑运动员，穿好冰刀站在冰上，触冰面积按0.0001平方米计算，在这种情况下，才不过能够让受压的冰的熔点降低0.5℃而已。但实际上比较适合速滑的冰面温度，通常在-5℃~-9℃，这0.5℃的改变，无异于杯水车薪。
而且，我们也可以发现，一方面，厉害的速滑运动员往往身材比较匀称修长，并不需要那种大体重的肌肉猛人来压冰，另一方面，就算是体重很轻的小朋友，只要学会了动作，照样能够滑得飞快，所以，结合理论计算和常识来看，滑冰时润滑的水，恐怕不是靠“压”出来的。
02
水是蹭出来的吗？
还有一种理论认为，冰刀滑动会产生摩擦，而摩擦可以生热，热量能够化冰产生水，让冰面更滑。
为了验证这一点，早在1939年，鲍登和休斯，就在海拔3346米的瑞士少女峰研究站附近，刨了一个冰洞，用下面这个复杂的装置进行了实验。那里的温度较为恒定，不会超过-3℃，而且空气污染极少，能降低对实验的干扰。之所以选在这里做实验，可能是因为当年条件所限，普通实验室里不方便。
摩擦装置，来自参考文献[1]
简单总结一下这个实验的原理，就是冻出一块平整的圆形冰面(图中的C)，然后放一个滑块(图中的I)在冰面上，之后用马达驱动冰面转动，测试不同温度、不同配重下产生的摩擦力。结果发现温度越低，就越难以形成水膜，摩擦力也就越大，这也是为什么户外冰场温度太低会感觉到冰比较涩。而长时间实验时，则能发现摩擦处冰面有明显的融化痕迹。
冬奥赛场上还有个项目能够从侧面证明这一点，那就是冰壶。扫冰手使用刷子在场地上高速摩擦，产生的热量能够稍微融化冰壶场地上的小冰粒，让冰壶滑得更远，从而微调冰壶的路线。
图虫创意
冰壶场地放大图 来自参考文献[2]
可能还有些朋友会感到疑惑，那么大个刷子使劲来回刷冰产热可以想象，但速滑的时候，冰面有那么大一块，窄窄的冰刀蹭那么一下，真的能够把冰蹭化吗？其实，从微观角度看，冰面和冰刀刀刃都不是光滑的，而是有很多微小的沟沟坎坎，据鲍登和休斯估算，短时间内的摩擦热，如果集中在小小的一点上，就足以使那一点点冰从-20℃升高到0℃。而要润滑冰刀与冰面，只需要一点点水就够了，而就如前文所述，室内速滑场地冰面温度不会低于-10℃。
原来冰滑靠的是摩擦生热，看到这里我们可能会得出这样的结论。但是，事情真的到此为止了吗？如果水只靠摩擦产生的话，那为什么有时候人站在冰面上，也可能滑倒呢？这就与冰本身的性质有关了。
图虫创意
03
水是冰自带的吗？
我们往往认为，冰就是冰，是固体，水就是水，是液体，除非温度超过了冰的熔点，不然冰就是干的，那么这种想法正确吗？
发现电磁感应现象，奠定了电磁学基础的法拉第，真的为弄清这个问题玩过冰块……他曾经做过实验，将两块冰块靠近轻轻接触，结果这两块冰立刻冻在了一起很难分开。于是法拉第得出结论，这冰块的表面肯定有一层类似液体的结构。
而后人的实验，还真的发现，就算温度低于熔点，冰的表面也确实存在这样一层结构，原因可能是水分子的振动和彼此的相互作用。这层膜的存在，能让冰本身就比较滑溜。
纳米尺度下冰的表面结构，来自文末参考文献[3]
不过，都折腾到这地步了，科学家们还不满足。2019年发表在Nature杂志上的一项研究进一步证明，这层水膜，里头其实还有一点碎冰，黏度、弹性等性质也与水或冰有所区别，而更接近于油，研究者们认为正是这种性质让冰刀得以在冰上飞速前进[5]。
到现在终于可以总结一下了，冰上项目之所以能这么快，主要原因就是冰跟冰刀之间有一层水膜(里头混着点冰)，这大大降低了摩擦力，而这个水膜的来源，主要是来自冰刀与冰面摩擦生热融化了冰，再加上冰面本来自带的水膜。需要注意的是，这层水膜不是越厚越好，因为水膜太厚摩擦力反而会增加，所以速滑冰场表面温度通常在-5℃~-9℃，不会过高。
不过这还没有完，从运动的角度来说，知道了原理，就有很多招可以用了。比如可以稍微给冰车冰橇的刀刃升温，这样就能让冰早点化出点水来润滑(但正式比赛会检查刀刃温度，加热是不允许的)，再比如可以使用一些润滑剂，配合水来增加刀刃和冰之间的润滑度(冰上项目的国际比赛不允许这么做，但是滑雪项目给滑雪板打蜡是可以的)，此外就是不断地优化冰刀的几何形状和材料，以便更好地创造和利用水膜，来达到减阻的效果了。
给滑雪板打蜡 | 图虫创意
人利用光滑的冰面来搬运重物，可追溯到至少公元前7000年，而为了弄清冰为什么这么滑，人们则一直研究了近200年，在这个过程中，我们可以发现，就算是司空见惯的现象，如果深挖的话，背后的原理可一点都不简单啊。
作者 | 丁 崝
审核 | 姬 扬 中国科学院半导体研究所 研究员 责编 | 丁 崝
本文由“科学辟谣平台”(ID：Science_Facts)出品，转载请注明出处。
本文来自版权图库的图片，不授权转载。
参考资料：
[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.
你可能还想看
▽
航天员给大家拜个年，你知道有多不容易吗？
什么？天文照片全是PS过的？!
不骗你，冬奥好成绩真的是“吹”出来的
源网页 http://weixin.100md.com
返回 科学辟谣 返回首页 返回百拇医药