相信很多人都有過滑冰的經歷，在冰面上滑動時，會感覺自己身輕如燕，只需要花費小小的力氣就可以滑行很長一段距離，並且通過稍微調整自己的身體，就能夠完成各種動作：倒滑、旋轉等等。那麼你在滑冰的時候是否想過腳下的冰為什麼這麼滑？我們又是如何在冰上完成各種動作呢？接下來我們就來了解一下滑冰中的科學原理。
為什麼冰這麼滑？
冰為什麼這麼滑這個問題其實困擾了人類幾百年，至今人們還在對這個問題進行不斷的研究，最早對這個問題的解釋是壓力導致冰發生相變，從而形成一層水膜，產生潤滑作用。
- 壓力溶解說
水在自然狀態下一般會存在三種狀態，固態（也稱為固相）、液態（液相）和氣態（氣相），每一種存在的狀態都會對應一定範圍的溫度和壓強，溫度和壓強是影響水的存在狀態的關鍵因素。例如，在正常的大氣壓強下，水在0℃以下為固態，0℃~100℃為液態，而在100℃以上會變為氣態。這個變化相信很多人都知道，因為溫度會改變物質的狀態。
但很多人可能並不知道壓強同樣也會影響物質的狀態，畢竟我們是生活在一個恆壓的環境中。不過我舉一個生活中的例子你可能會反應過來。例如當我們用高壓鍋加熱水，水的沸點會升高：同樣105℃的水，在正常的環境中早已成為了氣態，但在高壓鍋的高壓強中，可能還是液態。所以溫度和壓強兩個條件都分別會影響物質的狀態，每一個確定的溫度的和壓強都會對應一個確定的的物質狀態，如果我們將溫度和壓強分別列出兩個座標，座標上每個點都將對應一個確定的物質狀態，於是可以得到一個物質狀態與各種條件的關係圖，我們把這個圖稱為相圖。下面這個就是水的相圖，通過相圖我們就可以知道水在每一個溫度或壓強對應的狀態，同時我們還可以知道在某個壓強下水的熔點和沸點分別是多少。
之所以要從水的相圖講起，正是因為人們猜測在我們滑冰時，滑冰鞋下的冰刀會給冰一個很大的壓強，這個壓強會導致水的融點下降，從而導致冰刀下的水液化，形成一層水膜，這層水膜相當於一層潤滑劑，大大的減少了冰與表面接觸物的摩擦力。
但這個推測結合相圖並經過仔細計算是站不住腳的，經過計算，即使是要使冰的熔點下降1℃，就需要施加相當於130倍的大氣壓，況且溜冰場的溫度一般都保持在-7℃左右，想讓水瞬間液化，冰刀給予的壓強遠遠不夠，因此，這種解釋在理論上並不能站住腳。
- 冰為什麼這麼滑的最新科學解釋
在2019年就有科學家對這個問題繼續作了一個深入的研究，他們利用一個類似於音叉的裝置，下面放置一顆微小的玻璃珠，利用音叉的振動帶動玻璃珠運動，從而測量出玻璃珠與冰面之間的摩擦力、玻璃珠與冰面之間水膜的性質，這個精度可以達到納米級。
實驗檢測裝置
冰面上的水膜
經過這個研究，科學家發現這層水膜並不單純的是一層水分子，而可能是介於固態與液態之間的一種狀態，具有粘性又有彈性，同時也猜測冰面中的水分子能夠與液體中的水分子相互轉換，在互相轉換的過程中形成一個類似於滾輪的效果，從而能夠讓冰面上的物質非常輕鬆的滑動起來。這層水膜的狀態與溫度有關係，在一定範圍的溫度下會自然存在。
上面這個科學研究已經進一步完美的解釋了我們在冰面上滑動時為什麼受到的阻力這麼小，這種現象的產生為我們能夠“滑冰”提供了前提條件。通過上面的介紹，我們知道了冰為什麼這麼滑，那麼接下來如何優雅的在冰面上玩出各種花哨的動作呢？
如何利用物理規律優雅的滑冰
- 滑冰中的摩擦力與阻力
在滑冰前進的時候，我們會發現滑冰運動員並不是用腳向後蹬，而是雙腳成八字形向兩邊滑動，從而實現加速，那麼為什麼要這樣滑動，而不是像我們在地面上走路一樣用腳向後蹬呢？之所以要這麼做才能加速，這是因為摩擦力的影響。
滑冰鞋下的冰刀是一條很窄刀刃，刀刃壓在冰面上時，會導致冰面發生形變，從而形成一條與刀刃相吻合的凹線，這個時候，滑冰鞋在左右兩邊的滑動將會受到兩邊冰的限制，從而只能在前後兩端滑動，利用這個原理，當我們在前進的時候，就可以利用這個冰刀兩側的阻力來推動我們前進。兩隻腳不斷調整角度，利用側面的阻力就可以為我們的滑動不斷提供動力。
利用冰刀側面的阻力推動我們不斷前進
利用側面阻力加速
剎車時冰刀下陷，側面滑動受到很大阻力從而直接將冰剷起
- 滑冰中的向心力
我們在滑冰的時候不僅僅是在一條直線上運動，還需要在運動狀態下轉彎，轉彎的時候我們會發現一個現象，就是運動員的身體會倒向一側，並且依舊能夠保持平衡，穩定的滑動。這又是什麼原理呢？那麼這裡我們就要了解一下曲線運動。為了讓大家更好的理解曲線運動中的物體受力，在這裡先虛構一個“離心力”，任何做曲線運動的物體都會受到一個“離心力”的作用，比如我們用的洗衣機甩幹功能，在高速旋轉下，衣服中的水由於受到離心力的作用而被甩出，這就是離心作用。
我們在滑冰時，肯定不願被甩出滑冰場，那麼我們就要利用使用其它的力來平衡這個“離心力”，當我們的身體以一定的角度傾斜時，就可以提供這個力，我們把這個力稱為向心力，這個向心力可以用來平衡轉彎時所產生的“離心力”，從而不被“離心力”所“甩出”。（這裡為了讓大家更好理解這個過程，虛構一個“離心力”）
傾斜的身體可以用於提供轉彎時所需的向心力
圓周運動的小球需要繩子不斷提供拉力（向心力）
因此，當我們滑冰需要轉彎的時候，可以適當調整身體的傾斜程度來提供曲線運動所需要的向心力，從而保持運動平衡。
- 滑冰中的轉體物理規律
我們在觀看滑冰比賽時，經常能夠看見參賽選手們快速的旋轉自己的身體，並且通過不斷調整自己的姿勢可以任意的變換旋轉速度，這裡就利用到了角動量守恆定理。在物體所受合外力為零時，不僅動量守恆，角動量也同樣守恆。
角動量與旋轉物體的質量以及旋轉半徑有關，當旋轉半徑越小時，根據角動量守恆，那麼旋轉的角速度就會越大，旋轉就會快，因此，當滑冰運動員將身體展開時，在相同的角動量下，轉動半徑較大，動慣量也會更大，轉起來將更困難，那麼轉動的就會越慢。那麼當運動員將身體向轉軸收縮時，轉動半徑減小，轉動慣量變小，轉動速度就會更快，於是可以產生加速旋轉的效果。
通過調整姿勢改變旋轉速度
生活中我們也能看見類似的現象，拖拉機由於具有一個質量和半徑都很大的飛輪，導致轉動慣量很大，轉起來就會越困難，因此，要啟動起來就很困難，需要人力來啟動。但一旦啟動起來便會擁有很大的角動量，就不至於在啟動之後突然出現轉不動而熄火的情況。
總結
總結一下上面滑冰中所涉及的科學原理，冰面之所以那麼滑是因為在一定的溫度下，冰的表面會天然存在一層膜。這層膜介於固態與以液態之間，具有高粘度的性質，從而能夠產生滑動，所以冰面總是那麼的滑。正因為有了這個基礎，我們才能在冰面上“愉快”的滑冰。在滑冰的過程中，我們可以通過對冰刀兩側的冰施加力的作用從而為我們滑冰提供動力，同時在拐彎和旋轉的過程中我們可以充分的調整姿勢，利用物理規律來達到我們想要完成的動作。以上就是關於滑冰中所涉及到的一些科學原理，是不是覺得很有趣呢？想了解更多有趣科學知識，歡迎關注。
