冰为什么会滑（冰为什么那么滑）

北京2022冬奥会无疑将人们对冰雪运动的热情推入新高度，看冰雪健儿弛聘赛场可谓是一种享受，可这一切的基础都离不开光滑的冰面。

大家想过这个问题没有，冰为什么那么滑？为何人在冰面上容易滑倒，仅仅只是冰面的低摩擦力？科学家必须要用物理和化学的知识来解释这个问题，而这个看起来再普通不过的现象却困扰了科学家多年。

相对宇宙中的绝大多数物质来说，在固态时比液态时密度要高，当某种物质冷却到足以形成固态时，它的分子就会更紧密地结合在一起，比如生活常见的铁、铝等金属。

而冰却是另类，大家都知道冰是水在0℃或0℃以下凝结成的固体，在水凝结成冰时水分子同样也会冻结成固体，但是将它们连接在一起的特殊氢键会迫使水分子之间增加空间，因此固态冰比液态水密度低，这也冰漂浮在水中的原因。

左：稠密杂乱的液态水分子 右：有序而分散的冰分子

根据我们的生活经验得知让物体变滑，无非就是增加油、蜡等各种润滑剂来降低物体间的摩擦，可固体的冰面上有啥让冰能这么滑？科学家为了寻找冰为何那么滑这个问题的答案提出过一系列假设，最终在假设中找到了答案。

在19世纪50年代科学家詹姆斯·汤普森提出了一个数学模型，描述了一种冰非常奇怪的性质，在高压下冰会变成水，皆因固态冰的密度比水小，若用力挤压冰，它就会变得不稳定并融化成水。

当时人们认为这就是溜冰鞋的工作原理：溜冰鞋下薄薄的刀刃施加的压力足以融化冰的表面形成一层具有润滑作用的水膜，以减少摩擦并允许滑行，当刀刃穿过后冰面会再次冻结。

后来的科学家经过试验发现这个假设并不现实，比如体重68公斤的人站在刀刃上，只会将冰的熔点降低0.02摄氏度左右，再说压力融化冰并不是一瞬间就能实现的，因此滑冰运动员的压力并不能融化冰，随后便有了另一种假设。

大家都知道物体相互摩擦会产生热量，后来有人提出是溜冰鞋的刀刃与冰面摩擦产生热量融化了冰产生水膜，但这个答案并不能解释冰刚开始就那么滑。

在冬天大多数人们都有过行走冰面的经历，滑倒是件很随意的事，这根本没有足够的时间来产生需要融化冰的摩擦力，最多摩擦也只是一个二级效应。新的假说便出现了：冰的表面会不会本身就存在一层水膜？

当我们从冰箱取出两块冰块，随意将它们的任何部分加热到熔点之前，迅速把它们叠在一起，过段时间你会发现它们已经牢牢粘在一起了，因此物理学家法拉第猜测，冰块之所以粘在一起，是因为它们周围有一层液体，当这些液体相遇时，它们就会冻结在一起，并且这种非常薄的液体层也使冰变得格外光滑。

但当时无法证明该猜测，直到1987年科学家用X射线成像证实了这个“准液态”层的存在，液态层非常薄，在零下1摄氏度时，它的厚度在1纳米至94纳米之间，大约比细菌还要小小1000倍。最近，科学家们用极其灵敏的显微镜观察到了液体的表面。

当水被冻结时，单个水分子通过氢键相互吸引，彼此保持在晶体结构中。但表面上的分子可以附着的其他分子较少，这使得它们变得更无组织性，只能杂乱无序地“游荡”在冰表面，最终使冰变得很滑。

随着研究的进一步深入，最终科学家发现这层液体它像油脂一样黏稠具有黏弹性，并非简单的水，而是水和微小碎冰的混合物。

看似相当普通且简单的问题却困扰科学家多年，冰面之所以能够那么滑，正是因为有液体层作为天然润滑剂，当我们进行冰上活动时，实际上是站在冰最上面一层具有流动性的水膜上，并且水膜中的微小碎冰还充当了滚动轴承的作用。

有这些因素存在，我们在冰上摔跤自然也在情理之中！

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