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冰刀:冰场上翩飞的蝴蝶

来源:科普中国-科学原理一点通 2017-07-10     

 

  在丰富多彩的比赛项目中,滑冰无疑是深受人们喜爱的一种。它结合了体育、音乐、舞蹈等元素,通过丰富多彩的比赛形式,将力与美、速度与激情同时呈现给人们,让人们的心也随着运动员们翩飞的脚尖不断起起伏伏,充分融入进来。

  在所有的各类滑冰运动中,运动员们脚下的“冰刀”无疑是帮助他们制胜的法宝。冰刀真的是刀吗?滑冰鞋上为什么要装冰刀呢?

滑冰

  冰刀的演变史

  滑冰这项运动有着很古老的历史。最初的滑冰鞋上的冰刀是用兽骨做成的。到了13世纪时,滑冰这项运动开始在全世界范围内传播开来。当时的荷兰人发明了一种木制滑冰鞋,下面安装的冰刀则以铁制成。16世纪70年代,苏格兰人对这一发明进行了改进,改为全部采用铁质材料。由此,不仅滑冰的速度大大提高,冰鞋的灵活性也更高,有助于各类滑冰动作的展开。

  随后,冰刀经历了钢制等材料的历程。发展到今天,冰刀大多为全金属制成或者金属与塑料合制。

  当滑冰运动员以优美地身姿轻盈地踏过冰面时,背后总会留下一道长长的弧线。因此,很多人会有此疑问:冰刀是不是一把“刀”呢?

  

冰刀鞋

  冰刀是刀吗?

  实际上,冰刀不是“刀”,它的刃部并非像平常的锋刃一样薄。恰恰相反,冰刀背部和刃部的厚度是一样的,而并非人们想象当中的一边厚一边薄。因此,当人们踩在冰刀上时,能够感觉到脚与冰面有着一定面积的接触面,这能让他们站得比较稳。如果冰刀过窄,人们反而是不容易在冰面上保持平衡的。

  当我们穿着普通鞋子在地面上走时,靠着脚步与地面产生的摩擦力,我们才能够一直朝前走去。因此,普通鞋子底部往往都设置了花纹等防滑因素,从而加大脚步与地面的摩擦力。冰刀恰恰相反。当人们在冰面上滑行时,为了滑行的速度更快、滑行得更稳,就需要鞋子既光滑又平稳,因此,鞋底与冰面之间的摩擦力必须达到最小。冰刀就是最合适的选择。因为即便是最长、最厚的冰刀,与冰面的接触面积也被控制在10平方厘米以下,所以,冰刀与冰面的摩擦力非常小,能够帮助人们在冰面上顺畅地滑行。

  水膜的三种形成原因

  我们知道,当两个固体相接触时会产生很大的摩擦力,因此,人们会在两个固体接触的中间部位加入一些液体,比如润滑油、机油等,就是为了减少这种摩擦力的。因此,有人或许会产生这样的疑问:冰刀是固体、冰面也是固体。为什么两个固体之间在高速滑行的情况下,摩擦力依然非常小呢?

  有一种理论认为,当人们穿上冰刀在冰面上滑行时,人们的重力高度集中于冰刀这个很小的面积上,因此冰刀对冰面产生了很大的压强。这种压强会使得冰刀下面的冰的熔点降低很多。因此,冰刀接触到的冰能迅速融化成水,水使得冰刀与冰面的摩擦力大大降低,从而提高了滑行速度。

  还有一种理论认为,当人们在冰面上快速滑动时,冰刀与冰面迅速摩擦。这种强大、快速的摩擦力,会为冰刀接触到的冰面加热,从而使得冰刀下面的冰迅速融化,继而降低了两者间的摩擦力。

花样滑冰

  实际上,上面两种理论所基于的观点是一样的,那就是冰面的融化。通过将固态的冰转变为液态的水,使得冰面与冰刀的摩擦力降低。但是我们知道,当温度降至-22℃时,无论如何冰都不可能融化成水,不管是压力增大、还是摩擦起热,都不可能实现。然而现实生活中,我们依然能够看到在零下-30℃的冰面上,人们依然可以穿着冰刀在冰面上自由滑行,并没有因为冰刀下面的冰没有融化就无法自由滑冰了。这又是什么原因呢?

  原来,科学家们通过研究后发现,冰的表面有一层特殊物质,叫作“液状膜”,这种液状膜也叫作水膜,顾名思义,就是像水一样的薄薄一层覆盖在冰上。任何自然状态下的冰,其表面都有这样一层水状膜,就好像冰的表面融化成水一样。因此,科学家们把这种现象称为“表面融化”。一般而言,在-35℃以内的冰,其表面液状膜的厚度约为10纳米。当温度越来越高、越来越接近冰的熔点时,这种液状膜的厚度也就相应地越来越厚。而且,如果冰里头存在杂质的话,液状膜的厚度也会受到影响。比如,如果冰里加了一些盐,那么液状膜就会变厚。

  2004年,两位来自日本的科学家们对液状膜进行了一项专门的研究,以查明液状膜形成的原因。他们发现,当水凝固成冰之后,冰里头的每一个水分子相互之间都产生一种作用力,从而使得它们均衡地向四面八方受力,最终形成一个个结构稳定、规则的晶格。但是位于最表面的水分子,由于最外一侧没有相邻分子,导致它们受力不均衡,因此很难形成稳定、规则的晶格形态,而是不定型的。这就是液状膜。

  根据以上分析,我们就能够得出结论,冰刀下面的水膜之所以存在实际上有着三种不同的原因,分别为高压、摩擦、冰本身自有的液状膜。而且在不同环境下,这三个原因对于水膜形成的贡献也不相同。当温度即将达到冰的熔点也就是零度时,高压对于水膜的形成作用最大;当温度极低、离熔点非常远,比如-25℃时,摩擦加热更有助于冰面的融化;当温度离熔点既有一段距离且变化不大时,液状膜才是起到最大作用的因素。也正是因为液状膜的存在,极寒地区的人们才能够自在、快乐地滑冰。  

[责任编辑:科普云]

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