溜冰跟力的關係??

溜冰跟力的關係??
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溜冰原理

　　冰熔解為水時體積會收縮。施高壓於冰上，可使冰在冰點以下融化。這效果常用來解釋溜冰原理：在冰刀的高壓下，例如冰刀接觸面積一平方公分支持100公斤體重，則壓力高達102大氣壓。結果刀口和冰接觸形成水膜，有潤滑作用。一旦冰刀滑過之後，水膜隨即再度結冰。但是經過精確計算，上述冰受壓形成水膜的機制大有問題。
　　根據冰和水的相圖（見圖一），冰和水之間相變的斜線極為陡峭，斜率dP/dT高達-1.4102大氣壓／K，上述壓力只有在高於－0.7℃時才可能使冰形成水膜。這是說低溫（例如－10℃）時溜冰，上述機制將不太可能發生。
　　此外，玩冰上曲棍球時，金屬球的壓力又遠小於滑動的冰刀鞋，但是金屬球仍在冰上滑動自如，這究竟是什麼道理？也有人提出另一解釋機制：摩擦生熱產生水膜。在用雪橇滑雪時，摩擦力大，曾證實了摩擦生熱產生水膜是有可能的。但是冰刀會和一個平滑的冰面產生足以熔解冰的摩擦力嗎？
　　1842年法拉第曾提出即使低於冰點，冰塊外表本來就有一層水膜構造，這是與施壓無關的理論。這理論曾被當時科學家忽略。近代由於表面科學的進展，可以證實法拉第這冰表層水膜構造的理論。這種稱為「表面熔化」（surfacemelting）現象不限於冰，幾乎所有固體都有這現象。這水膜在低溫時僅有幾層分子厚，厚度是和冰塊零下溫度的1/3次方成反比，即d∞(T0/T-T0)1/3。式中T0為熔點273K（見圖二）。厚度可用電子、中子、X光、氦原子等繞射法測量在0℃時水膜可高達400埃，但在－35℃僅有5埃，因此氣溫太低時溜冰，水膜太薄，摩擦力大增。這水膜受到內部冰構造的影響，排列仍有一些規序性，所以有人稱為「擬液」（quasiliquid）。水膜可以降低固體表面能量。這是由於水膜分子活動自由，可以採取比較穩定的排列方式。
　　有關證明冰受壓熔化的另一個熟悉實驗是，金屬線兩頭懸掛重物而能切過冰塊的復冰實驗。此項實驗有個疑點：金屬線有可能傳導室溫而使冰熔化？有人曾小心控制金屬線溫度到冰點以下，但使用很小壓力仍可產生復冰現象。這結果也歸因於冰的外層存有水膜，因此金屬線實際上在局部液相中移動。也有人利用這實驗來測量水膜厚度。圖二即這實驗的結果。
　　冰上有水膜的現象說明了表面科學是相當複雜且饒富趣味，溜冰原理可能同時牽涉三種不同機制：一是冰受壓熔化；二是摩擦生熱使冰熔化；三是冰表面原本有的水膜。至於低溫時溜冰，應是水膜效果最為重要。雖然在法拉第時代就提出冰上水膜的理論，但是有賴精密的表面科學來證實，他們提出的證據只是近幾年的事。一般教科書並沒有反映出這些近期表面科學的研究結果。




2009-02-14 18:12:29 補充：
冰上溜冰的原理，在於冰的熔點隨壓力增大而降低，溜冰時人體的重量，集中落在冰刀與冰的接觸面，相當於在冰面上施加一很大的壓力，使得冰在低於攝氏零度的情況下，就能融化成水，成為冰刀與冰之間的潤滑劑。冰刀劃過，壓力消失，熔點又恢復為攝氏零度，水膜又結成冰。上述這些例子，都是「熱力學」中所謂的「固、液相平衡」的問題。