安徽省靈璧縣黃灣中學(xué) 華興恒
很多人,尤其年輕人都非常喜歡溜冰,因?yàn)檫@種運(yùn)動(dòng)不僅能夠鍛煉人體的平衡能力、協(xié)調(diào)能力以及身體的柔韌性,還可以增強(qiáng)人的心肺功能,提高有氧運(yùn)動(dòng)能力。對(duì)于娛樂性的溜冰,不僅能夠使人們放松心情,加強(qiáng)交流,還可以獲得融入自然的樂趣。
我們從各種冬季運(yùn)動(dòng)會(huì)上,可以看到冰上運(yùn)動(dòng)員矯健的身影、優(yōu)美的舞姿。他們?cè)诒嫔峡焖偾斑M(jìn),不時(shí)靈活地轉(zhuǎn)彎,還常常翩翩起舞,特別是男女花樣溜冰,更是舞姿優(yōu)美,令人眼花繚亂、心曠神怡。這其中有何奧秘呢?原來這都是小小的冰刀在起著重要的作用。不知大家可曾想過:運(yùn)動(dòng)員穿著帶有冰刀的溜冰鞋,雖然可以在光滑的冰面上快速滑行,但在光滑的玻璃上卻是寸步難行,這是什么原因呢?
有些人是這樣解釋這個(gè)問題的:這是因?yàn)楸对谂c冰面摩擦的過程中,要克服摩擦力做功,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,因而會(huì)產(chǎn)生一些熱量,這就使得與冰刀接觸的冰因此而融化變成了水,從而起到了潤(rùn)滑作用,使得摩擦力大大地減小了,所以穿著帶有冰刀的鞋子可以在冰面上快速滑行;而想在玻璃上滑行就不行了,這是因?yàn)椴AР荒苋刍兂伞安A钡木壒省J聦?shí)果真是這樣的嗎?
上述解釋其實(shí)并不完全禁得住推敲。這是因?yàn)楸对诒嫔匣袝r(shí)受到的摩擦力還是非常小的,僅靠摩擦產(chǎn)生的那一點(diǎn)熱量,是不可能在這樣短暫的時(shí)間里使冰融化的(冰融化要有一個(gè)過程,并且冰在融化的過程中需要吸收大量的熱)。
滑冰運(yùn)動(dòng)員在冰面上滑行時(shí),冰刀的兩側(cè)及其下面確實(shí)有那么一點(diǎn)水,那么這點(diǎn)起到潤(rùn)滑作用的水到底是怎樣產(chǎn)生的,又是如何存在的呢?同學(xué)們都知道,在通常情況下(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)冰的熔點(diǎn)是0 ℃,當(dāng)外界的壓強(qiáng)減小時(shí),冰的熔點(diǎn)會(huì)隨之升高;當(dāng)外界壓強(qiáng)增大時(shí),冰的熔點(diǎn)也就會(huì)隨之降低。如果根據(jù)這一理論解釋上述問題,就會(huì)有下面的解釋。
為了減小冰面對(duì)溜冰鞋的摩擦阻力,提高運(yùn)動(dòng)員滑行的速度及靈活性,滑冰運(yùn)動(dòng)員通常要穿帶有冰刀的鞋子。如果大家仔細(xì)觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn),溜冰鞋上冰刀的刃口很窄,普通冰刀的刀刃只有2 mm寬,花樣冰刀的刀刃也不過4 mm 寬,因此冰刀與冰面的接觸面積是非常小的。由于運(yùn)動(dòng)員對(duì)冰面的壓力是一定的,這個(gè)壓力的大小就等于運(yùn)動(dòng)員自身的重力。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員穿上溜冰鞋時(shí),由于冰面的受力面積減小了,因而冰面受到的壓強(qiáng)就會(huì)大大地增加,這對(duì)快速溜冰能夠起到什么作用呢?
穿著溜冰鞋的運(yùn)動(dòng)員在滑行時(shí),由于冰刀對(duì)冰面產(chǎn)生的壓強(qiáng)很大,這迫使冰刀下面的冰的熔點(diǎn)下降,從而使得這部分冰融化,于是在冰刀的周圍就會(huì)有一層薄薄的水包圍著冰刀。正是由于這層薄薄的水起到了潤(rùn)滑作用,因而大大地減小了冰刀與冰面之間的摩擦,這樣也就減小了滑冰運(yùn)動(dòng)員在前進(jìn)過程中所受到的摩擦阻力,所以滑冰運(yùn)動(dòng)員可以在冰面上健步如飛,同時(shí)可以隨心所欲地做出各種優(yōu)美的動(dòng)作。
當(dāng)冰刀滑過之后,由于這個(gè)附加的壓強(qiáng)便隨之消失,因此只要外界的溫度在0 ℃以下,原來在冰刀作用下融化成的水馬上又會(huì)結(jié)冰。更為奇妙有趣的是,冰刀滑過之處還不會(huì)在冰面上留下劃痕。
對(duì)于這一解釋還可以用一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)來予以說明。當(dāng)環(huán)境溫度不高于0 ℃時(shí)(保證冰不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境溫度高而融化),在桌面上放置一塊冰,將兩端掛有重物的細(xì)鐵絲搭在冰塊上。大家會(huì)看到這種奇特的現(xiàn)象:細(xì)鐵絲下面的冰,由于受到的壓強(qiáng)較大而逐漸融化,從而使得鐵絲在冰塊中不斷地向下移動(dòng)。而細(xì)鐵絲剛剛經(jīng)過的上方的水,又會(huì)因壓強(qiáng)減小而結(jié)冰,最終細(xì)鐵絲會(huì)從整個(gè)冰塊中穿過,而冰塊卻完好如初。
上述解釋看似完美無缺,可是實(shí)際的計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)一個(gè)質(zhì)量為70 kg的人穿著溜冰鞋站在冰面上時(shí),只能對(duì)冰面產(chǎn)生3.5×105Pa的壓強(qiáng),這樣的壓強(qiáng)對(duì)冰的熔點(diǎn)影響并不是很大,只能使冰的熔點(diǎn)下降0.1 ℃左右。因此上述解釋也就不能令人完全信服。
當(dāng)對(duì)上述問題的解釋出現(xiàn)新的困難時(shí),一種新的理論又隨之誕生了??茖W(xué)家們通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)冰上有水,可是也有不少科學(xué)家對(duì)這種理論持懷疑態(tài)度。有鑒于此,另一種聽起來非常簡(jiǎn)單的解釋出現(xiàn)了:冰的表面原本就非常平滑,并且當(dāng)冰的溫度在-22℃以上時(shí),冰的表面上始終會(huì)有一層薄薄的永遠(yuǎn)不會(huì)凝固的水。
早在1850年,英國(guó)著名的物理學(xué)家邁克爾·法拉第就曾簡(jiǎn)單地提出過這種理論。1996年,美國(guó)的科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)又證明了這一理論。勞倫斯柏克利實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家薩姆和物理學(xué)家胡佛,利用電子束轟擊冰面,同時(shí)使用儀器記錄了從冰面彈回的電子的運(yùn)動(dòng)方向和速度。出乎意料的是,電子撞擊到冰面后彈回的軌道似乎是變化不定的,沿多個(gè)方向散亂地反彈開來。這說明看起來平滑的冰面并不是完全平整的。
薩姆認(rèn)為,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,冰之所以滑的原因只可能是冰面的最上層并沒有真正冷凝,而是有薄薄的一層水。這層水起著永久性潤(rùn)滑劑的作用。當(dāng)冰刀等物體壓到冰面時(shí),水分子就會(huì)被壓到冰面的細(xì)微縫隙處,從而使冰的表面非常平滑。這樣冰面的摩擦力就會(huì)變得更小,所以也就會(huì)更滑了。
這兩位科學(xué)家還發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度降到-22 ℃以下時(shí),冰面的平滑性能就開始大大降低。這是因?yàn)樵谶@樣的溫度條件下,具有潤(rùn)滑功能的薄水層幾乎消失殆盡,冰面的平滑性也就會(huì)顯著降低,其平滑性與其他固體也就沒有什么不同了。薩姆教授表示,冰面最上層有永久性的薄水層,這是冰的特性。他認(rèn)為,即使克服摩擦力做功而產(chǎn)生熱量,冰面依舊很滑很滑。