冰刀是如何減小摩擦力的

鄭玲玲

人類(lèi)滑冰的歷史悠久，早在4000多年前就有與滑冰相關(guān)的記載，滑冰從一種冰上運(yùn)輸方式演變?yōu)楝F(xiàn)代奧運(yùn)的比賽項(xiàng)目，冰刀功不可沒(méi)。公元10世紀(jì)左右，人們發(fā)現(xiàn)將動(dòng)物的脛骨綁在腳上有助于在冰上行走，這就是冰刀的雛形?，F(xiàn)如今，人們已經(jīng)針對(duì)不同的冰上運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的冰刀，借助冰刀，人們?cè)诒峡梢宰杂傻乜焖倩泻臀鑴?dòng)。那么，為什么冰刀可以使人在冰面上快速前行呢？

壓強(qiáng)與晶體的熔點(diǎn)

要解釋冰刀的作用，先來(lái)了解一下壓強(qiáng)與晶體熔點(diǎn)之間的關(guān)系。物質(zhì)從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)的過(guò)程，稱為物態(tài)變化。晶體從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度臨界點(diǎn)稱為熔點(diǎn)。同一種晶體的熔點(diǎn)與壓強(qiáng)有關(guān)，熔化時(shí)體積縮小的晶體，熔點(diǎn)隨壓強(qiáng)的增大而降低，反之亦然。我們知道，冰融化成水時(shí)，體積變小，因此冰是一種熔點(diǎn)隨壓強(qiáng)增大而降低的晶體，一般每增加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（約1.01×105Pa），冰的熔點(diǎn)大約降低0.0075℃。該結(jié)論不僅可以從水的三相圖上看出，還可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

取一塊厚些的冰，用兩個(gè)支架架空，在細(xì)鐵絲上懸上重物掛在冰塊上，過(guò)一段時(shí)間會(huì)看到細(xì)鐵絲穿過(guò)冰塊而不留下切口。仔細(xì)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中冰與鐵絲的接觸面很小，因此加掛的重物在鐵絲與冰塊的接觸面上產(chǎn)生很大的壓強(qiáng)，接觸面上的冰因熔點(diǎn)降低而融化。而融化的水流到鐵絲上方后，因壓強(qiáng)恢復(fù)到正常大氣壓，熔點(diǎn)升高到0℃，又重新結(jié)成冰。如此下去，最終鐵絲穿過(guò)冰塊落下，而冰塊卻依然保持完整。

事實(shí)上，自然界中冰河的形成也是基于同樣的原因。高山上的積雪隨著時(shí)間慢慢積累，雪底部的壓強(qiáng)逐漸增大，導(dǎo)致冰的熔點(diǎn)降低，因此底部的雪開(kāi)始融化。融化成的水由積雪中的縫隙上升，升到壓強(qiáng)稍小處，又凍結(jié)成冰。這樣反復(fù)若干次之后，形成龐大的冰塊，冰塊底部同樣也是壓強(qiáng)大熔點(diǎn)低，冰又融化為水，使冰塊沿山坡徐徐下滑，最終形成冰河。

增大壓強(qiáng)的冰刀

再來(lái)分析冰刀。冰鞋上的冰刀刃口很窄，普通冰刀的刀刃一般只有2mm寬，花樣冰刀的刀刃也不過(guò)4mm寬，刀的前面呈彎月形，中央凹進(jìn)一些，因此冰刀與冰面的接觸面積非常小。人對(duì)地面的壓力是一定的，穿上冰鞋后，冰面的受力面積減小，它受到的壓強(qiáng)就會(huì)增大，一個(gè)質(zhì)量為50kg的人穿上冰鞋，他對(duì)冰面的壓強(qiáng)高達(dá)10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓左右。在這樣的壓強(qiáng)下，冰的熔點(diǎn)將會(huì)降低，這樣使零度以下的冰在冰刀的作用下融化成水。冰刀下面薄薄的一層水可以起到潤(rùn)滑作用，它減小了冰刀與冰面之間的摩擦力，從而使人們能在冰面上飛跑、舞動(dòng)。

花樣繁多的冰刀

滑冰運(yùn)動(dòng)分為花樣滑冰、冰球和速滑，雖然都是冰上運(yùn)動(dòng)，但根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和要求，冰鞋及配備的冰刀也不盡相同。

花樣滑冰的冰刀稱作花刀，其前端有突出的刀齒，以便運(yùn)動(dòng)時(shí)的起跳蹬冰和落下、旋轉(zhuǎn)時(shí)的制動(dòng)?；踊鶆?dòng)作難度大，對(duì)穩(wěn)定性要求較高，因此鞋幫要硬而高以保護(hù)踝關(guān)節(jié)，刀刃較寬中間有溝槽，刀體弧度比較大，初學(xué)滑冰的人一般多選用花樣滑冰鞋。

打冰球用的冰刀，其刀刃光滑。冰球項(xiàng)目對(duì)抗性很強(qiáng)，因此，冰球鞋的鞋頭很硬，鞋腰較高，鞋幫很厚，冰球刀刀體很短，具有較大弧度，可以使滑冰者在冰面上靈活地移動(dòng)和改變滑行方向。

速滑比賽中使用的冰刀，比其他兩種冰刀要稍長(zhǎng)些，且刀刃窄，相對(duì)較平，可以進(jìn)一步減小其與冰面之間的摩擦力。另外，冰鞋的鞋腰比較矮，以便于運(yùn)動(dòng)員降低身體重心，減少空氣阻力。

最后，一起來(lái)看看下面這道題：冰刀與冰面的摩擦因數(shù)為0.02，運(yùn)動(dòng)員質(zhì)量為60kg，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員停止用力，滑行30m停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)算一下，運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均速度是多少？