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为什么滑冰鞋上要装冰刀

小涛涛 2015-05-14 16:59:57 手机版

  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。

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