冰面为啥这么滑 水膜充当“润滑剂”

2月5日举行的短道速滑混合团体接力决赛中，短道队为中国获得了本届冬奥的首金。2月7日，中国队包揽短道速滑男子1000米项目金银牌，让我们感受到了“中国速度”的热力与激情。

观赏冬奥会比赛时，大家更多关注的是运动员的体育精神和运动技巧。其实，冬奥会中也蕴含了许多奇妙的物理知识。冬奥会的大多数运动项目，无论是滑冰、滑雪，还是冰壶、雪车，其最核心的内容都是在冰面或雪面上——滑。这个“滑”字背后大有学问。

“滑”是摩擦阻力较小的状态

与“滑”字相对的是“摩”（古同“磨”）字，“滑”其实就是摩擦阻力比较小的状态。在中学的物理课上，老师会教给我们：“摩擦力是两个相互接触并挤压的物体发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力。”我们所学的摩擦力正比于接触面的摩擦系数μ和垂直于接触面上的正压力N（F=μN），与接触面积无关。这是古典摩擦定律，它只是一个描述性的定律，并没有深入解释摩擦力的物理机理。其实，摩擦本身是一个非常复杂的问题。

在现代科学技术的版图中，摩擦学是专门的一个学科，研究有相互作用的、具有相对运动或相对运动趋势的表面间产生切向阻力（摩擦）；由于相对运动而发生的损耗或变形（磨损）的现象和物理机理，以及如何降低摩擦和减小磨损的措施（润滑）。

直到今天，“摩擦的本质”问题仍是科学家探索和争论的话题，不过一定程度上的共识是摩擦力的产生可能有两种机制：一种被称为“凹凸啮合”，也就是因为接触表面凹凸不平，压在一起是相互啮合而产生摩擦力；另一种被称为“分子粘附”，即因为接触面的分子之间相互吸引而产生相对运动时的切向阻力。“分子粘附”机制在光滑的金属界面上表现比较明显，而“凹凸啮合”机制在其他材质之间，或是金属和其他材质之间的界面上体现较多。冬奥会上的各种“滑”，无论是冰刀或滑雪板，其摩擦力大多可以看作源于冰刀、雪板表面与冰雪表面的“凹凸啮合”。

降低摩擦阻力的水膜从哪儿来

冬奥健儿之所以能在冰雪上流畅地滑行，不是因为冰雪表面特别光滑平整，而是因为在这个过程中，冰刀、雪板并非完全与冰雪“凹凸啮合”后硬碰硬地“干摩擦”。事实上在冰雪表面有一层水膜，正是这层水膜填充进固态冰雪与冰刀、滑雪板的表面之间，用流体的剪切形变代替了固体凹凸的剪切形变，从而产生润滑作用，大大降低了摩擦阻力。

这层水膜又是从哪儿来的呢？对于这个问题，同样有几种不同的观点：一是因为冰雪受压而熔点降低产生水膜；二是摩擦生热融化冰雪形成水膜；第三则是处于冰内的水分子大都通过四个氢键与其他水分子连接形成稳定结构，而表面的水分子通常只有两到三个氢键与其他水分子连接，形成了一种“准液体”的状态。有研究者做过计算，虽然压力导致冰雪表现融化的现象的确存在，但对于冬奥项目而言，人体和装备对冰面产生的压强引起的熔点降低十分有限，摩擦生热导致的融化和冰雪表面本来就有的“准液体”才是水膜产生的主要原因。

冰雪表面的“准液体”很难人为操控，但摩擦生热导致融化的机制却是可以利用的。比如在相同机械强度和形状等条件下，采用热导率比较低的材质来做冰刀，摩擦产生的热散失得较慢，就会形成更多的水膜，获得更好的润滑效果，从而降低摩擦阻力，让选手滑得更快。

（作者系北京交通大学国家级物理实验教学示范中心教师，光学博士）