審核專家：李永樂
中國人民大學附屬中學教師
知名科普博主
冬天，去什剎海滑冰是很多老北京人的童年回憶。最近溫度下降，眼瞅著什剎海就凍瓷實了。1月9日，什剎海冰場終於正式開放了，我們的快樂又回來了！
滑冰作為北京冬天的「傳統項目」，每年冬天都能吸引一大群小夥伴。但你有沒有想過，為什麼冰面會那麼滑呢？
01冰：想不到吧，我自帶潤滑劑！
問起冰為什麼那麼滑，可能有些小夥伴會脫口而出：因為冰面足夠光滑唄！
對於這樣的冰面：
這樣的冰面：
或是這樣的冰面：
這個解釋或許有幾分道理。
但真正去過什剎海滑過冰的小夥伴一定知道，我們遇到的冰面往往是這樣的：
如此粗糙的冰面可能無法展現你高超的技術，但還是能滑起來的，只要稍不留神，這樣的冰面足以讓你摔上一跤。
不必說專業的室外冰場，就算是冬天路邊一灘積水結成的碎冰碴子，也能瞬間把你放倒。
另外一個例子也能證明這樣的解釋是不合理的。
酒店裡潔淨的大理石地板要比天然冰面光滑得多，但至少你可以穿著鞋在上面正常地行走，不會像在冰面上那樣寸步難行。
那麼，到底是什麼讓冰面如此地光滑呢？我們還是回到大理石地板上。
我們都知道剛用溼拖把擦過的地面是要比乾燥地面滑得多。其實，要想讓物體變滑只需要薄薄的一層潤滑劑，它可以是水、蠟、礦物油、細小的砂粒、石墨粉以及各種各樣的油脂……
具有流動性或可以在表面滾動的潤滑劑可以大大降低物體間的摩擦，相比於一味地把表面打磨光滑，使用潤滑劑是一種高效且效果拔群的方法。
那麼冰表面有潤滑劑嗎？
想必你已經想到了，冰表面自帶的純天然潤滑劑就是水啊！
按照這個說法，當你站在冰面上時，你的腳與冰之間並不是直接接觸的，而是隔著一層具有流動性的水膜。
02冰上的水從哪來？
講到這裡，冰面為什麼滑的問題似乎已經解釋完了。但細心的小夥伴一定已經意識到，仍有一個疑問還沒有被解決——冰表面的水是從哪兒來的？
大家都知道，冰在0℃時才會熔化（熔化是指物質由固態轉變為液態的過程，其中冰的熔化也可寫作「融化」）。在北京室外溫度可達到零下五六度，前些天甚至達到了零下十多度，這個溫度顯然是不足以讓冰表面熔化的，按理說應該一直維持固體狀態才對。
其實，「冰在0℃時會熔化」並不是一句準確的描述，講這句話時我們忽略了一個重要的因素——壓強。在一個標準大氣壓下，冰的熔點為0℃。
早在1850年，James Thomson就發現增加壓強會使冰的熔點降低，他的弟弟William Thomson，也就是大名鼎鼎的開爾文勳爵用實驗證實了這個結論。
也許你會質疑他們提出的理論，增加壓強不是更傾向於將物體壓縮在一起嗎？難道不應該有利於液體凝結成固體嗎，怎麼反過來了？
有一個最違背常理的事實就在我們眼皮底下——冰是浮在水面之上而不是沉在水底的！這也是我們能在冬天滑冰的前提。
大多數液體凝結成固體後體積會減小，偏偏水在結冰時體積會增大。這種反膨脹現象使得相同質量的冰與水相比體積更大，這意味著冰的密度比水小，因此冰能浮在水面上。
同時，這種反膨脹的特性也意味著當你用力壓一塊冰時，它會傾向於熔化成水。
如果你嚴格控制溫度，仔細測量數據，就能得到湯姆森兄弟發現的規律——增大壓強可以降低冰的熔點。
不過這兩兄弟並沒有用他們的理論來解釋滑冰這項運動，第一個把這個規律和滑冰聯繫起來的人是John Joly。
他認為人的體重施加在冰面時，產生的壓強會使冰的熔點低於0℃，讓冰的表面熔化，形成一層有潤滑作用的水膜，使得冰十分地滑。如果穿上有薄薄冰刀的滑冰鞋，那麼施加在冰上的壓強將更大，熔點下降更多。
據John Joly當年的計算，穿著冰鞋的成年人會對冰表面施加四百多倍標準大氣壓的壓強，能使冰的熔點降到-3.5℃。
問題似乎被完美地解決了，但總有一些不對勁的地方。入冬後，東北的氣溫能達到零下幾十度，按照Joly的理論，東北的冰面應該並不能讓人滑倒，也很難滑冰，然而事實並不是這樣，在冰面上「滑刺溜」是東北日常且「傳統」的一項活動。
且不說東北，根據經驗，花樣滑冰冰面的最佳溫度約-5.5℃，且花樣滑冰的冰刀很厚，絕大多數情況下運動員也是身輕如燕，Joly的理論完全無法對其進行解釋。
更尷尬的是，Joly將冰刀與冰面的接觸面積估計為0.02平方英寸。
但事實上冰刀是很厚的，接觸面積要遠大於這個數，這意味著冰面被施加的壓強可能遠不足以讓熔點下降如此多。《紐約時報》的肯尼斯·張估計，一個70公斤的人站在冰刀上，只能讓冰的熔點降低到-0.017°C
1939年，Frank Bowden和T.P. Hughes提出，鞋底或冰刀與冰面之間摩擦產生的熱量會促使冰表面熔化，形成一層水。
經反覆實驗，他們認為相比於壓強，摩擦是使冰表面熔化的主要因素。為了得到這個結論，他們甚至將實驗地點設在了海拔3346米的冰冷山洞中，還動用了乾冰、液化氣體等製冷技術。
然而，Frank Bowden與T.P. Hughes的解釋並沒有讓人滿意。且不說摩擦產生的熱量有多少能用在使冰熔化上而不是傳導到外界，這個理論依然無法解釋為什麼人站在冰面一動不動依然時刻面臨著滑倒的風險，冰面為什麼滑仍是未解之謎。
這時一個念頭在人們腦海中萌生——即便溫度已在熔點之下，會不會冰的表面本身就存在著一層「水」呢？
20世紀中期，隨著固體物理與材料科學的進展，以及在材料探測手段上的豐富，人們發現在冰的表面天然地具有一層介乎於水與冰之間，具有流動性的表面態物質。
它並不是表面的冰熔化後形成的水，即便低於熔點，這層物質也能存在，一些學者將其稱為「準液體層」。它的厚度和溫度有關，溫度低於熔點越多，這一層準液體就越薄。
1987年，科學家利用X射線衍射「看到了」冰表面的微觀結構，證實了冰表面確實存在著一層準液體。
進入21世紀，科學家們用非線性光學的方法進一步研究了冰表面準液體的結構與性質。還有一些研究團隊用分子動力學方法拿計算機模擬了冰表面水分子排列的方式，甚至模擬出了水分子如何在冰表面「絲滑地跑來跑去」。
但絲滑等於潤滑嗎？我們生活中常見的潤滑劑通常是油狀的、膏狀的，很少看見像水一樣質感的。潤滑油不僅要有很好的流動性，通常還要有一定的彈性和粘度。
去年，發表於《自然》的一項研究中，科學家們用一個類似音叉的裝置和毫米級的玻璃珠巧妙地測量了這層準液體的力學特性。音叉振動帶動小玻璃珠在冰面滑移，加速計則捕捉到這個過程中玻璃珠運動狀態。
實驗發現這層準液體可以看作水和微小碎冰的混合物，它的粘性比水大得多，如同油一般，同時也具有接近固態冰的彈性。合適的粘性與彈性使得冰表面的準液體甚至比水的潤滑效果還好，這也解釋了為什麼冰面比潑上水的光滑地板更滑。
就此「冰為什麼滑」這個問題有了較完整的解釋。
03冰滑≠你會滑冰
這麼說小夥伴們是不是也想在什剎海的冰面上大顯身手了呢？別急！在你摔倒前，我們先看看冰鞋的原理。
首先，正如前面所說，雖然這個效應也是影響因素之一，但冰鞋設計成薄薄的刀狀並不只是為了增大壓強促使水熔化。
冰刀的設計主要是為了讓摩擦力在不同方向上有著巨大的差異——順著冰刀方向滑行很容易，但是垂直於冰刀滑行幾乎不可能。
滑冰時，你只需一隻腳稍側並蹬地，讓側過來的冰刀提供足夠大的靜摩擦，另一隻腳的冰刀順著滑行方向，保證摩擦力最小，這樣你就在靜摩擦的驅動下在冰面上滑起來了。
還有一些小夥伴注意到有些人滑冰時不用抬腳，雙腳畫個圈圈就向前動了起來。其實原理是一樣的，一隻腳的冰刀依然順著前進方向，是摩擦最小，另一隻腳畫圈時暗暗向後發力，提供足夠的靜摩擦，最終靜摩擦使你向前移動。
還有一種冰鞋專門用於冰壺場地，這類鞋左右腳的鞋底採用了不同的材質，與冰面之間的最大靜摩擦力也不同。冰壺用運動員只用更不易滑動的鞋蹬地，提供靜摩擦，而另一隻鞋僅貼著冰面滑行。
好啦，了解了這麼多關於冰和冰鞋的小知識，你是不是已經按捺不住要一展身姿了呢？
最後，提醒大家，一定在正規冰場滑冰，同時戴好必要的護具，注意安全！