滑冰是一种非常高雅的运动，相信大家一定都有所了解。我们都知道滑冰需要穿上滑冰鞋，而滑冰鞋的底部都会装上尖利的冰刀，那么为什么滑冰鞋上要装冰刀？其实滑冰鞋这样的设计是有着一定科学原理和根据的，下面就和小编一起来了解一下其中的原因吧。
为什么滑冰鞋上要装冰刀？
我们行走靠的是鞋与地面间的摩擦力，没有摩擦力就寸步难行。而对于滑冰来说，摩擦力越小就滑得越顺畅。冰刀既能够在启动和加速阶段快速获得前进动力，又可以降低滑行时的摩擦力，并保持稳定。
不过，冰和冰刀都是固体，它们之间摩擦力为什么很小呢？如果在固体与固体之间铺上一层流体，会大大降低摩擦，润滑油的工作原理即基于此。科学家对冰刀和冰面的接触面进行研究，发现摩擦力很小的原因是，在冰刀与冰面之间存在一层水膜，它起到了润滑的作用。
最初，人们认为冰刀与冰面之间的水来源于固液相变：冰在高压下变成了水。但后来人们知道，当温度低于-22℃时，无论多么大的压力都不会使冰融化，只会从一种相态的冰变为另一种相态的冰，而不会变为水。可实际情况是，即使在-30℃的低温下人们仍可以自由自在地滑冰，这又是为什么呢？
后来人们认识到，即使在熔点之下，自然状态下的冰表面也存在一层液状膜，这种现象称为表面融化。离熔点越近，这种液状膜越厚。在-35～0℃之间，液状膜厚度约10纳米。当然杂质的存在也会影响液状膜的厚度。比如，盐的存在会使液状膜变厚。
那为什么会存在这层液状膜呢？2004年，两位日本科学家用分子动力学模拟对此进行了解释。冰内部水分子的各个方向都受到相邻分子力的作用，所以形成了稳定的晶格。而位于表面的水分子由于一侧暴露，受力不稳定，不易形成规则的晶格，而是趋于无定形的形态，即液状膜。从分子热运动角度讲，水分子在其平衡位置附近振动，由于冰表面分子受力不稳定，其振动幅度要比内部分子的振动幅度大，这种振动幅度的差别在靠近熔点时越来越大，所以越接近熔点液状膜越厚，性质越接近纯液态水。
根据目前的研究结果，水膜的形成原因有三种：高压融化、摩擦加热、冰表面存在液状膜。不同温度下，这三种机制对膜形成的贡献会有所不同。当温度很接近冰的熔点时（比如大于-3.5℃），高压融化的贡献是最大的；当温度离熔点很远时（比如-30℃），摩擦加热的贡献是最大的；当温度离熔点较远且静止不动时，液状膜的贡献是最大的。正是因为冰刀与冰面间存在这层水膜，才让人们在极低的温度下也可以顺畅地滑冰。
