速滑凭啥这么快？

短跑运动员常被人冠以“飞人”的名号，比如博尔特，速度能达到37.5千米/小时。这已经够快的了，但是在冰刀的帮助下，速滑运动员们在赛场上能达到50千米/小时以上的高速。而橇车类项目，速度甚至能够达到140千米/小时。

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能达到这么高的速度，除了运动员的艰苦训练和研发人员的努力，最根本的原因就是，冰，它是滑的……乍一听这是句废话，但深究起来，却会发现事情并不简单，冰，它怎么就滑了呢？

冰这么滑，其实是因为水。

我们都学过一点物理学，知道所谓的“干磨”摩擦力会更大，比如门上的轴久不润滑，开合起来就既费力又会发出刺耳的声音，但是如果加入了润滑剂，比如润滑油，开关门一下子就变得既安静又轻松了。冰上同样也是如此，冰刀跟冰之间存在着一层水膜，起到润滑的作用，让冰刀受到的阻力大大降低，得以高速滑行。

但是，这水是怎么来的呢？这个问题可就有不少争议了，接下来我们就好好聊聊。

01

水是压出来的吗？

一种流传已久的理论认为，冰在表面压强变大的时候，熔点会降低，冰刀就是这样把冰面“压”化变成水的。还有个很经典的科普小实验可以证明这一点，将两头绑着重物的铁丝跨在冰块上，冰块接触铁丝下沿的部分就会融化让铁丝陷进去，而铁丝经过后，融开的冰又能冻成一体。最后铁丝会穿过冰块，而冰块不会断开，就是这个原理。

按照这个理论，速滑冰刀看起来非常窄，厚度1.4毫米左右，实际接触冰面的面积非常小，而短道速滑的冰刀更是有一点点弧度，接触冰面面积更小。这样一来，冰刀作用在冰上的压强就很大，导致接触部分的冰熔点降低，这样就能产生润滑的水层了……吗？

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虽然听起来合情合理，压强增加导致冰的熔点降低也确有其事，但是很遗憾，这个理论是错误的。

因为，经过研究者计算，一个体重约为70千克的速滑运动员，穿好冰刀站在冰上，触冰面积按0.0001平方米计算，在这种情况下，才不过能够让受压的冰的熔点降低0.5℃而已。但实际上比较适合速滑的冰面温度，通常在-5℃~-9℃，这0.5℃的改变，无异于杯水车薪。

而且，我们也可以发现，一方面，厉害的速滑运动员往往身材比较匀称修长，并不需要那种大体重的肌肉猛人来压冰，另一方面，就算是体重很轻的小朋友，只要学会了动作，照样能够滑得飞快，所以，结合理论计算和常识来看，滑冰时润滑的水，恐怕不是靠“压”出来的。

02

水是蹭出来的吗？

还有一种理论认为，冰刀滑动会产生摩擦，而摩擦可以生热，热量能够化冰产生水，让冰面更滑。

为了验证这一点，早在1939年，鲍登和休斯，就在海拔3346米的瑞士少女峰研究站附近，刨了一个冰洞，用下面这个复杂的装置进行了实验。那里的温度较为恒定，不会超过-3℃，而且空气污染极少，能降低对实验的干扰。之所以选在这里做实验，可能是因为当年条件所限，普通实验室里不方便。

摩擦装置，来自参考文献[1]

简单总结一下这个实验的原理，就是冻出一块平整的圆形冰面（图中的C），然后放一个滑块（图中的I）在冰面上，之后用马达驱动冰面转动，测试不同温度、不同配重下产生的摩擦力。结果发现温度越低，就越难以形成水膜，摩擦力也就越大，这也是为什么户外冰场温度太低会感觉到冰比较涩。而长时间实验时，则能发现摩擦处冰面有明显的融化痕迹。

冬奥赛场上还有个项目能够从侧面证明这一点，那就是冰壶。扫冰手使用刷子在场地上高速摩擦，产生的热量能够稍微融化冰壶场地上的小冰粒，让冰壶滑得更远，从而微调冰壶的路线。

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冰壶场地放大图 来自参考文献[2]

可能还有些朋友会感到疑惑，那么大个刷子使劲来回刷冰产热可以想象，但速滑的时候，冰面有那么大一块，窄窄的冰刀蹭那么一下，真的能够把冰蹭化吗？其实，从微观角度看，冰面和冰刀刀刃都不是光滑的，而是有很多微小的沟沟坎坎，据鲍登和休斯估算，短时间内的摩擦热，如果集中在小小的一点上，就足以使那一点点冰从-20℃升高到0℃。而要润滑冰刀与冰面，只需要一点点水就够了，而就如前文所述，室内速滑场地冰面温度不会低于-10℃。