冰为什么那么滑？

冬奥会正在激烈进行，人们观看各种精彩的滑冰滑雪比赛的时候，会不会想为什么冰面那么滑?

冰是固体的一种, 然而其他固体并没有展现出冰这样的特性。比如你拿一个铝块和一个铁块，相互摩擦，它们的摩擦系数要比金属在冰面上的摩擦系数大很多。如果你穿着冰刀在一个铺满铝板的表面上，你不可能像滑冰一样流畅自如。

长久以来课本里解释冰滑的现象，都说因为冰受压的情况下或者冰表面因为摩擦生热融化，所以在冰的表面会形成一层非常薄的水膜。这个水膜会导致冰表面非常的滑。比如我们观察冰壶比赛的时候，经常会好奇，为什么运动员用刷子刷冰面来改变冰壶的运动轨迹。如果你百度一下，大部分都是和教科书上相同的说法，即运动员用刷子快速刷冰面，因摩擦生热使得冰表面一层融化为水膜，降低冰壶的摩擦力，可以让冰壶走得更远一点。

对于滑冰也有类似的解释。那就是运动员之所以在冰面上可以自由滑行，是因为冰刀在冰面滑过产生的压力，导致被压的冰面熔点降低，从而融化了一部分冰，让冰面上形成非常薄的一层水膜。然而这个理论无法解释很多现象。例如，为什么在零下20度甚至30度的时候，人们依旧可以滑冰？ 按照这个理论，在零下20度的条件下滑冰，冰刀上站的人要比大象还要重很多。

来自荷兰阿姆斯特丹大学的学者Mischa and Daniel Bonn 2020年仔细研究了这个问题，得出来的结论是并不存在所谓的液体水膜，哪怕是几十个纳米的液体水膜也是不存在的。

冰是一个非常规整的结构，每一个冰里面的水分子和另外4个水分子相连，但是冰表面一层每个水分子只能和两个其他的水分子相连，这导致了冰表面的水分子非常容易晃动。做一个形象的比喻，冰的表面像是撒满了黄豆的地面，黄豆是固体，但是因为黄豆可以随时转动，所以踩到黄豆的人依旧会打滑摔倒。

  冰的分子结构

你可能会问，其他金属是不是也可能有这样的特性呢？为什么偏偏是冰？

这是因为冰的冰点非常接近我们地球上生存环境，而其他固体的熔点时常高达上千度，距离我们生活的环境温度相差非常大。事实上当气温降到零下50度以下，冰就会变得像沙子一样不再光滑。据说有过在阿拉斯加和南极经历的人都有这样的经验，就是当温度特别低的时候，雪橇的阻力会一下子变大。铝的熔点是660摄氏度，如果我们生活在650度左右的高温环境里，那么你穿着钢刀的冰鞋一样可以在铝板上自由的滑行。

回到一开始的问题，冰壶运动员刷冰之后，为什么冰壶的轨迹会被改变？冰壶赛道上的冰是一层圆形小冰珠。并不是因为刷冰之后，冰珠的表面形成一种水膜，而是通过摩擦让冰的表面温度提高，但依旧低于熔点，只是由于冰的表面温度提高了，分子不再被像以前一样牢牢地绑定在网格框架中，摩擦力发生变化。2010年加拿大西渥太华华学者通过非常仔细的观察，标准冰壶比赛冰的表面是零下5摄氏度，刷冰之后，冰面温度仍然远低于熔点。从而提出了新的理论，改进了冰刷的结构，帮助加拿大队获得了好成绩。

此外观看比赛的时候，你会发现，当冰壶最终出手的时候，运动员必须给冰壶稍稍加一些转动。转动会导致冰壶的两侧相对于冰面有不同的速度，在不同的相对速度下，冰和冰壶的摩擦系数也会变得不一样。而扫冰会加剧摩擦系数的不同，从而改变冰壶轨迹。 这些都是传统水膜理论无法解释的。

人们从事冰雪运动有上千年的历史。150年前，人们意识到压力下冰的熔点会改变，100年前在这个基础上最早提出了水膜理论。推翻水膜理论仅仅是最近10年的事情。这个例子告诉我们那些看似已经变得经典的理论，不见得就是那么天经地义的正确。这就是科学的魅力，它一次又一次不断颠覆我们以为天经地义的认知。

参考文献：

Rinse W. Liefferink , et al.  Friction on Ice: How Temperature, Pressure, and Speed Control the Slipperiness of Ice. PHYSICAL REVIEW X 11, 011025 (2021).