Page 21 - Science Focus (issue 15)

的接觸面積是 10 平方厘米，要製造相等的壓力，溜冰者的
體重需達到 1400 公斤 ，我們可以清楚地了解這是不可能
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做到的，因此因壓力變化而導致的熔化並不是造成我們能
夠輕鬆地在冰上滑行的有效機制。

科學家們為了解釋壓力不是唯一的機制，因此提出了
「摩擦加熱」（frictional heating）的假設，意思是因摩擦
而產生的熱力，可能是熔化冰的原因。在 1939 年 Bowden
和 Hughes 的論文中，他們在一個海拔高度 3 346 米的瑞
士研究中心以木頭和金屬進行實驗。實驗中，他們發現摩擦
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係數 及其所影響的熱流傳導亦能夠提供一個對於冰得以
融化的新的解釋。但這個理論亦在前述 Colbeck 的文章中
以數值計算的方式予以反駁，在 Colbeck 提出的公式中，
冰刀與冰面接觸的長度與每單位面積摩擦加熱的率成反
比。數值的計算得出若摩擦加熱要與本來已經微不足道、因
壓力熔化所造成的效應等量的話，假設溜冰速度為每秒五
Ice-Skating 米時，與水接觸的冰刀長度需為 15 微米（即 15 x 10 米），
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產生熱能的效率才能與因壓力熔化所造成的效應相比。假
設一般冰刀長度為 30 厘米，15 微米只是其 0.005 % 而已

科學不一樣： 探討溜冰的奧秘 （而世界上應該沒有人用只有 15 微米的冰刀溜冰吧！）。
這項數值分析證實了摩擦加熱比壓力融化效應顯得影響較
小，只能是眾多可能使我們能夠溜冰的機制之一。

那麼，究竟什麼是造成冰得以熔化的主要原因呢？我們
然而，這樣的話，為什麼在很多人溜過後，溜冰場的冰 以往認知水在攝氏零度以下是不會融化的，然而這個我們
沒有全部都融化成水呢？這是因為當冰刀劃過之後，壓力 長期相信的概念便是使我們無法想像真正原因的癥結點
會隨著冰刀的離開而在原本加壓的地方降低，而此時的凝 呢！自從 1850 年後，英國物理學家 Faraday 開始執行了一
固點又會隨之恢復為標準大氣壓力時的攝氏零度，此時，水 系列復冰現象（regelation）的研究，他將兩塊冰塊緊貼在
膜又會結成冰，而不會使得整個溜冰場的冰都融化成水。 一起，兩塊冰會因而合成一塊，因此發現在冰上的一層性質
較接近液體的類液相膜（liquid-like film）在凝固時扮演了
上面這些敘述聽起來都符合我們所能預測跟學習到的 重要的角色，而這也開啟了科學家對於冰上的類液相膜厚
知識，然而，科學就是如此的奧妙，在經過一些物理學家的
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度的後續研究 。
研究之後，他們發現溜冰的機制根本就不是我們所想像的
那樣簡單，而是另有其他機制。 直至 Faraday 發現這個有趣現象的 100 年後，亦即
1949 年，當今的科學家 Gurney 教授提出冰上固有的類液
根據地質物理學家 Samuel Colbeck 於西元 1995 年 相膜是影響冰的滑溜性的重要因素；1951 年，賓夕法尼亞
被收錄於美國物理期刊（ American Journal of Physics） 州立大學的 Weyl 教授不但接受了 Faraday 的概念，更提
的文章〈因壓力而融化與溜冰〉（Pressure Melting and 出一個模型來解釋水分子在冰塊及表面的排列方式。此後，
Ice Skating）中所寫：因壓力變大而凝固點降低的熔化現 1950 年代，各個不同的研究團隊針對這個想法執行各式定
象不能作為摩擦力減少的原因。文中說明在攝氏零度時， 量的研究，物理理論學者與實驗學者進而得以了解因壓力
在壓力融化效應（pressure-melting effect）下，每一帕斯 的效應、摩擦加熱與冰上原有一層類液相膜的存在於不同
卡的壓力使水的熔點降低 7.37 x 10 攝氏度；在這樣的情 的溫度下各自對熔化貢獻多少。
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況下，根據計算，我們可以知道如果我們要在攝氏零下一度
的溜冰場溜冰，需令熔點降至攝氏零下一度的話，其所需要 更 在 1969 年 時， 美 國 南 加 州 大 學 的 Orem 及
的壓力約為 1.4 x 10 帕斯卡（即約 140 atm），假設冰刀 Adamson 教授更藉由蒸氣分子吸收的方式，發現冰塊表
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