冰刀是如何减小摩擦力的

郑玲玲

人类滑冰的历史悠久，早在4000多年前就有与滑冰相关的记载，滑冰从一种冰上运输方式演变为现代奥运的比赛项目，冰刀功不可没。公元10世纪左右，人们发现将动物的胫骨绑在脚上有助于在冰上行走，这就是冰刀的雏形。现如今，人们已经针对不同的冰上运动设计了不同结构的冰刀，借助冰刀，人们在冰上可以自由地快速滑行和舞动。那么，为什么冰刀可以使人在冰面上快速前行呢？

压强与晶体的熔点

要解释冰刀的作用，先来了解一下压强与晶体熔点之间的关系。物质从一种状态变化到另一种状态的过程，称为物态变化。晶体从固态转变为液态的温度临界点称为熔点。同一种晶体的熔点与压强有关，熔化时体积缩小的晶体，熔点随压强的增大而降低，反之亦然。我们知道，冰融化成水时，体积变小，因此冰是一种熔点随压强增大而降低的晶体，一般每增加一个标准大气压（约1.01×105Pa），冰的熔点大约降低0.0075℃。该结论不仅可以从水的三相图上看出，还可以通过一个简单的实验来验证。

取一块厚些的冰，用两个支架架空，在细铁丝上悬上重物挂在冰块上，过一段时间会看到细铁丝穿过冰块而不留下切口。仔细分析就会发现，实验中冰与铁丝的接触面很小，因此加挂的重物在铁丝与冰块的接触面上产生很大的压强，接触面上的冰因熔点降低而融化。而融化的水流到铁丝上方后，因压强恢复到正常大气压，熔点升高到0℃，又重新结成冰。如此下去，最终铁丝穿过冰块落下，而冰块却依然保持完整。

事实上，自然界中冰河的形成也是基于同样的原因。高山上的积雪随着时间慢慢积累，雪底部的压强逐渐增大，导致冰的熔点降低，因此底部的雪开始融化。融化成的水由积雪中的缝隙上升，升到压强稍小处，又冻结成冰。这样反复若干次之后，形成庞大的冰块，冰块底部同样也是压强大熔点低，冰又融化为水，使冰块沿山坡徐徐下滑，最终形成冰河。

增大压强的冰刀

再来分析冰刀。冰鞋上的冰刀刃口很窄，普通冰刀的刀刃一般只有2mm宽，花样冰刀的刀刃也不过4mm宽，刀的前面呈弯月形，中央凹进一些，因此冰刀与冰面的接触面积非常小。人对地面的压力是一定的，穿上冰鞋后，冰面的受力面积减小，它受到的压强就会增大，一个质量为50kg的人穿上冰鞋，他对冰面的压强高达10个标准大气压左右。在这样的压强下，冰的熔点将会降低，这样使零度以下的冰在冰刀的作用下融化成水。冰刀下面薄薄的一层水可以起到润滑作用，它减小了冰刀与冰面之间的摩擦力，从而使人们能在冰面上飞跑、舞动。

花样繁多的冰刀

滑冰运动分为花样滑冰、冰球和速滑，虽然都是冰上运动，但根据不同运动的特点和要求，冰鞋及配备的冰刀也不尽相同。

花样滑冰的冰刀称作花刀，其前端有突出的刀齿，以便运动时的起跳蹬冰和落下、旋转时的制动。花样滑冰动作难度大，对稳定性要求较高，因此鞋帮要硬而高以保护踝关节，刀刃较宽中间有沟槽，刀体弧度比较大，初学滑冰的人一般多选用花样滑冰鞋。

打冰球用的冰刀，其刀刃光滑。冰球项目对抗性很强，因此，冰球鞋的鞋头很硬，鞋腰较高，鞋帮很厚，冰球刀刀体很短，具有较大弧度，可以使滑冰者在冰面上灵活地移动和改变滑行方向。

速滑比赛中使用的冰刀，比其他两种冰刀要稍长些，且刀刃窄，相对较平，可以进一步减小其与冰面之间的摩擦力。另外，冰鞋的鞋腰比较矮，以便于运动员降低身体重心，减少空气阻力。

最后，一起来看看下面这道题：冰刀与冰面的摩擦因数为0.02，运动员质量为60kg，当运动员停止用力，滑行30m停止运动时，计算一下，运动员运动时的平均速度是多少？