滑冰，既是一項娛樂項目，也是一項比賽項目。其實早在我國宋代就已經開始了滑冰這項運動，當時的滑冰叫做“冰嬉”，直至如今沿用了“滑冰”這個更加言簡意賅的詞。許多人會滑冰，尤其是北方人，而南方由於氣候相對溫和，少冰，因此只能在室內滑冰。但是會滑冰不一定代表懂滑冰，滑冰的原理到底是什麼你知道嗎？為什麼靠著兩片薄薄的冰刃可以在冰面上自由馳騁呢？
冰的表面
在微觀層面上，人們對冰的瞭解甚少。但是研究冰的表面如何因磨損而融化和流動的實驗有助於解釋支撐冬季運動的極低摩擦力。
人們普遍認為，滑冰是由於冰的表面形成一層水，這層水可以起到潤滑滑冰的作用。但是研究表明，儘管確實冰表面存在一層某種物質，但它不僅僅是水的潤滑層，它具有驚人的流動特性，這與散裝水的流動特性非常不同，介於液態水和冰之間。
自19世紀以來，人們就接受了一種觀點，那就是融水的薄膜可以使冰表面變滑。人們認為這一層薄膜應該出現在溜冰鞋或其他在冰上滑行的物體下面。因此，關於這個問題的大多數爭論是關於冰層的起源的，那麼它到底是由於表面熔化、與滑冰鞋摩擦有關的加熱，還是壓力引起的融化？一直以來關於壓力融化的說法在很大程度上被忽略了，因為這一過程在零下20°C以下的冰是不可能發生的，但是人們在如此低的溫度下滑冰是可能的。而表面融化和摩擦加熱似乎也不太可能解釋，因為這些現象並不僅限於固態水冰，而冰幾乎是唯一可以在上面滑冰的材料。
同樣科學家迷惑的是融水層的機械性能，我們知道液體的潤滑與否主要取決於它從兩個摩擦表面之間的間隙中被擠出的阻力，而且通常需要厚厚的潤滑脂才能起到良好的潤滑作用。水不是一種好的潤滑劑，因為它的低粘度意味著它很容易被擠出縫隙。因此，那些認為一層水就足以使冰鞋在冰上起潤滑作用的想法是不可能的。它甚至沒有直觀的意義，因為你可以想象在馬路上或廚房地板上滑一層水是不可能的。
微觀滑冰實驗
於是科學家利用一個類似於大型音叉的實驗裝置，同時通過測量表面產生的摩擦進而測量了冰的摩擦係數以及潤滑層的特性。叉子是用來振動的，它可以通過一個附著在叉子上的毫米級玻璃珠在冰面上振動。因此，這顆珠子就像一個小小的溜冰鞋，可以在同一塊冰上滑行數十微米的距離。隨後科學家研究了潤滑物體在冰上滑動產生的薄層融水，他們把一個毫米大小的玻璃珠連接到一個宏觀層面的鋁音叉上。叉是用來振動的，可以使得珠子在冰面上振動。叉子上的加速度計測量了珠子與表面平行和垂直振動的振幅。從這些測量中，可以計算出珠和冰之間的摩擦以及潤滑層的流動特性。隨後科學家觀察到這一層的粘性和彈性表明它是由水和冰粒子的混合物組成的，而不是一層簡單的水薄膜。
科學家將一個加速度計連接在與珠子相同的叉子上，測量了珠子平行於表面的振盪振幅，並將其與驅動力的振幅進行了比較。與此同時，通過垂直於冰面的微珠的微小振動，使科學家能夠探測潤滑層的特性。他們使用了與測量平行運動相似的方法來測量作用在垂直於表面的珠上的力，玻璃和冰之間的摩擦係數可以根據兩種測量力的比值計算出來。
與此同時，科學家不僅測量了垂直運動的振幅變化，而且還測量了產生這些珠子振動的驅動力所花費的時間。這使得作者能夠測量冰的潤滑層的機械阻抗，這是一種對珠子施加的力的阻力的測量，這些測量反過來又與潤滑層的流動特性相關。
綜上所述，科學家的測量使摩擦和潤滑層的流變性能同時得到探測。實驗結果表明，潤滑層對其上滑動的物體具有粘彈性響應。這不僅不同於散裝水的行為，而且也不同於冰的行為。因此，結果表明，滑冰需要的不僅僅是一層水。
到底發生了什麼
以前人們曾用精密的光譜技術來研究不同溫度下冰的表面，結果發現冰的融化是不連續的，通過冰分子的連續兩層，第一層冰在70℃左右融化，第二層冰在20℃左右融化。然而，在相同溫度範圍內的摩擦測量表明，表面的摩擦不隨雙層材料的熔化而改變。因此，冰的滑溜性似乎不僅取決於它在融化過程中的表面特性，還取決於它與冰的相互作用。
這一項實驗支持了這一觀點，在同一地點反覆滑動會產生水和冰的混合物，在荷載作用下表現出彈性(來自冰)和粘性(來自水)。由此產生的材料層將比普通的水更難從縫隙中擠出來。這項研究結果至少在一定程度上可以解釋該層優異的潤滑性能。
這項新研究還為解釋為什麼滑冰對冰如此特殊提供了一個線索，那就是潤滑的摩擦和伴隨的磨損常常導致在兩個摩擦物體之間形成一層不同的物質，即第三個物質。由於這一過程依賴於摩擦物體表面磨損的特定方式，甚至常常依賴於摩擦引發的化學反應，所以第三個物質的形成在很大程度上是系統特有的。換句話說，很少有材料能在摩擦和磨損下形成粘彈性、液-固第三體。
總結
但是關於滑冰還有更多知識和問題等待著我們去挖掘和解答，例如所觀察到的冰層在原始冰上形成的速度是否足夠快，能夠在接觸時起潤滑作用？這層冰的存在如何解釋滑冰的最佳溫度是-7攝氏度？這也是所有速度溜冰場的保持溫度。
因此除了瞭解滑冰之外，對一些薄的潤滑膜的性能進行詳細的測量也是非常有研究價值的，因為許多這樣的膜並沒有表現出與散裝潤滑油相同的性能，而且潤滑中第三個物體的起源和作用在很大程度上還是一個懸而未決的問題。這些都是很重要的問題，因為潤滑常常是減少摩擦的唯一途徑，而據估計，摩擦消耗了全世界20%的能源，但是沒有摩擦，我們無法生存下去，至少目前來說是這樣。
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