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      快速溜冰有奧秘

       零壹貳012 2022-02-17

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      在很多冬季運動項目中,都可以看到溜冰運動員矯健的身影、優(yōu)美的舞姿,他們不僅可以快速前進、靈活轉(zhuǎn)彎,而且能夠翩翩起舞,令人賞心悅目。運動員們?yōu)楹文軌蛟诒嫔先绱俗匀?,這其中有何奧秘呢?圖片
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      摩擦生熱助力冰上滑行

      不知大家可曾想過,運動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,在光滑的玻璃上卻寸步難行。這是為什么呢?

      對于這個問題,有些人給出的解釋是:冰刀與冰面在摩擦過程中,需要克服摩擦力做功。在這一過程中,機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,因而會產(chǎn)生一些熱量,致使與冰刀接觸的冰融化,變成了水,這些水在一定程度上起到了潤滑作用,導(dǎo)致冰面與冰刀間的摩擦力大大減小,所以,穿著帶有冰刀的鞋子可以在冰面上快速滑行,卻不能在玻璃上滑行,因為玻璃是不能熔化變成“水”的。事實果真如此嗎?

      上述解釋并不全面。因為冰刀在冰面上滑行時所受到的摩擦力很小,僅靠摩擦產(chǎn)生的那點熱量,不足以在很短的時間內(nèi)使冰融化,畢竟融化需要有一個過程,并且冰在融化過程中還需要吸收大量熱量。                          

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      冰刀周圍的水是如何產(chǎn)生的

      滑冰運動員在冰面上滑行時,冰刀兩側(cè)及其下面確實會有那么一點水,這些起到潤滑作用的水到底是怎樣產(chǎn)生的,又是如何存在的呢?

      大家都知道,在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,冰的熔點是0℃;當(dāng)外界壓強減小時,冰的熔點會隨之升高;當(dāng)外界壓強增大時,冰的熔點也會隨之降低。根據(jù)這一理論解釋上述問題,就有了下面的答案。

      為減小冰面對溜冰鞋的摩擦阻力,提高運動員的滑行速度及靈活性,溜冰運動員通常要穿帶有冰刀的鞋子,并且鞋上的冰刀刃口很窄,普通冰刀的刀刃只有2毫米寬,花樣冰刀的刀刃也不過4毫米寬,因此冰刀與冰面的接觸面積很小。由于運動員對冰面的壓力是一定的,這個壓力的大小就等于運動員的體重。當(dāng)運動員穿上冰鞋時,由于冰面的受力面積較小,因而冰面受到的壓強會大大增加,迫使冰刀下面的冰的熔點下降,從而使得這部分冰融化,于是在冰刀周圍就會有一層薄薄的水。正是由于這層薄薄的水起到了潤滑作用,大大減小了冰刀與冰面之間的摩擦力,使得運動員在冰面上前進的摩擦阻力相對減小,所以,運動員可以在冰面上健步如飛,同時還能隨心所欲地表演各種優(yōu)美的動作。

      當(dāng)冰刀滑過之后,冰面上附加的壓強隨之消失,因此,只要外界溫度在0℃以下,原本融化成的水馬上又會結(jié)冰。更為奇妙的是,冰刀滑過之處還不會在冰面上留下劃痕。

      對于這一解釋還可以用模擬實驗予以說明。當(dāng)環(huán)境溫度不高于0℃時(保證冰不會因為周圍環(huán)境溫度而融化),在桌面上放置一塊冰,將兩端掛有重物的細鐵絲搭在冰塊上,大家會看到這樣一個奇特的現(xiàn)象:細鐵絲下面的冰,由于受到的壓強較大而逐漸融化,從而使得鐵絲在冰塊中不斷向下移動。而細鐵絲剛剛經(jīng)過的上方的水,又會因壓強減小的緣故而結(jié)冰,最終,細鐵絲會從整個冰塊中間穿過,而冰塊完好如初。

      上述解釋看似完美無缺,可實際的計算結(jié)果表明,當(dāng)一個質(zhì)量為70千克的人穿著冰鞋站在冰面上時,只能對冰面產(chǎn)生3.5 × 105帕的壓強,這樣的壓強對冰的熔點的影響不算很大,只能使冰的熔點下降約0.1℃。因此,該解釋不能令人完全信服。


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      特殊的冰面潤滑劑

      之后,人們提出了一種新的理論??茖W(xué)家通過實驗研究發(fā)現(xiàn),冰上有水。具體來說,就是冰的表面原本非常平滑,并且當(dāng)冰面溫度在-22℃以上時,其表面始終會有一層薄薄的永遠不會凝固的水。

      早在1850年,英國著名物理學(xué)家邁克爾·法拉第就曾簡單地提出過這一理論。1996年,美國科學(xué)家通過實驗證明了該理論。勞倫斯伯克利國家實驗室的化學(xué)家薩姆和物理學(xué)家胡佛,利用電子束轟擊冰面,同時使用儀器記錄從冰面彈回的電子的運動方向和速度。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。

      薩姆認為,從實驗結(jié)果看,冰面之所以較滑,只可能是由于冰面最上層并沒有真正冷凝,而是有薄薄一層水。這層水起著永久性潤滑劑的作用。當(dāng)冰刀等物體壓到冰面時,水分子就會被壓到冰面的細微縫隙處,從而使冰的表面非常平滑。這樣一來,冰面的摩擦力就會變得更小,所以冰面上的冰刀也就會更滑了。

      兩位科學(xué)家還發(fā)現(xiàn),當(dāng)冰面溫度降到-22℃以下時,其表面的平滑性會大幅降低。這是因為在如此低的溫度條件下,具有潤滑功能的薄水層幾乎消失殆盡,冰面的平滑性也隨之顯著降低,與其他固體基本沒什么兩樣。 

      本文節(jié)選自《百科知識》2022.2B

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