冰为什么很滑?问题看似简单却困扰人类几百年,至今没有完美答案

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冰很滑,这件事在每一个人很小的时候都知道,因为我们都在冬天的结冰的路面上溜过冰、摔过跤,因此冰的光滑已经成为了我们的常识,像是一个不用论证的公理一样。如果你问一个人冰为什么很滑?还很有可能会让这个人觉得你问了一句废话,其实不然,在科学上我们不仅要总结知识,而且

冰很滑,这件事在每一个人很小的时候都知道,因为我们都在冬天的结冰的路面上溜过冰、摔过跤,因此冰的光滑已经成为了我们的常识,像是一个不用论证的公理一样。

如果你问一个人冰为什么很滑?还很有可能会让这个人觉得你问了一句废话,其实不然,在科学上我们不仅要总结知识,而且要知道其背后的原因,为什么会这样。

接下来我们就聊下这个困扰人类数百年的问题。

在我们生活中两个固体之间的摩擦系数一般都非常大,我们为了减小它们之间的摩擦,我们一般会将两个固体接触的表面打磨的非常光滑。

但这样只会将摩擦系数减少到一定的程度,并不会给我们带来异常丝滑的感觉,例如家里的地板、玻璃表面可以说已将非常平整了,但摩擦依旧很大。

这说明两个物体之间摩擦系数的大小,其表面的光滑程度并不是唯一的因素。如果我们这是给地板上、瓷砖上、路面上、玻璃上洒一些水呢?甚至是一些油呢?

是不是很滑!尤其是冬天冰雪刚融化的时候,走在铺有瓷砖的路面,很容易摔一跤。所以说液体是减少两个固体之间摩擦系数的关键。

因为液体层与层之间很容易会发生滑动,也就是说液体的内摩擦系数非常小,如果把它们洒在固体光滑的表面,可以大大减小两个物体之间的摩擦,这就是日常生活中润滑油的作用。

那么这跟冰有什么关系呢?根据以上的知识,同样的道理,我们就可以知道其实就固体冰本身而言它并不滑,滑的主要原因是它表面有一层看不见的水膜。

这一点在科学上已经被普遍接受,但是难点是,想解释冰上为什么会有一层水却不那么容易。

压力融化说

最初认识到这个问题的是迈克尔·法拉第(Michael Faraday),没错你是认识的那个发现电磁感应现象的法拉第,因为之前的科学家都比较全能,看见啥都想研究。

1850年6月7日,法拉第在一次演讲中做着这样的实验,将两块刚取出来的冰,按在一起,很快两个冰块就会粘连。

法拉第认为冰层表面覆盖着一层液体薄膜,也就是即将结冰的水,即使在温度远低于冰点的情况下也是如此。

当两块冰相互接触的时候,它们中间的水就会重新冻结,充当了粘连剂。但当时詹姆斯·汤姆森并不同意这样的观点,认为是两块冰在相互接触的时候,因为压力的升高导致了表面的冰融化,形成液态水膜。

并提出了冰点随压力升高而下降的线性关系表达式。他的弟弟威廉,也就是我们熟知的开尔文勋爵通过实验证实了这个说法。

这就导致了后来近100年人们通过压力融化说来解释为什么冰很滑。

詹姆斯·汤姆森和他的弟弟并没有把这个理论用来解释冰为什么很滑,而是在1886年工程师约翰·乔利根据他俩的理论提出:冰很滑,是因为压力导致了冰表面的融化。

乔利还专门根据滑冰运动员做了一些计算,乔利指出滑冰运动员冰刀的与地面的接触面积非常小,计算出的压力能够达到466个大气压,在这个压力下,冰的熔点会降低到- 3.5℃。

因此滑冰运动员的冰刀会与地面形成一层水膜。这就是冰很滑的原因。

相信你看了这个解释,会觉得很牵强,但就是这样的解释人们也相信了几十年。你看,照他这么说,低于- 3.5℃的情况下就无法滑冰了,北方的同学肯定不答应,-10、-30摄氏度照样滑。

而且我们穿平底鞋、就算躺在冰面上,这样压强够小了吧,依旧很滑。所以这样的解释漏洞很多。

不过压力会导致冰的熔点降低这个理论是真的,但不能解释冰很滑的原因,也不是冰表面水膜形成的原因。

摩擦加

热说

到了20世纪,也就是1939年弗兰克·p·鲍登(Frank P. Bowden)和t·p·休斯(T. P. Hughes)提出,冰表面的水膜是因为摩擦生热导致融化的结果。

为此它们还跑到了瑞士海拔3346米的冰洞中做了一系列的实验,得出了这样的结果,同样这样的说法也站不住脚。

摩擦确实会产生一定的热量,但这样微小的热量还是不足以融化温度很低的冰,而且你在滑动的时候,在你前面的冰还没有形成水膜,因此会有很大的阻力。

这也不足以解释为什么在冰上会具有非常长持续滑动的能力。其实这都不是重点,最主要的是,在一个斜面冰上,一开始我并没有滑动,应该没有生热,冰应该不滑,但为什么我依然站不住呢?

因此到了21世纪,科学家认为冰表面的液体层是冰本身富有的一种性质,也就是说冰本身就很滑,并不需要任何的压力和摩擦来产生水膜。

不过目前科学家还没有完全解决,为何不管多低的温度,不管与物体有没有接触,冰的表面总是有一层液体。这是一个正在研究的问题,而且我们也通过各种手段看到了这层水膜。

滑是冰固有的性质

不过问题是,同样是水膜,为什么它在冰上会更滑呢?在地板、瓷砖上就没有那么滑呢?

这说明冰表面天然形成的水膜跟我们认为的水还是由很大的区别的,它因该有一些比较特殊的性质。

在2005年的《今日物理》评论文章中,Robert Rosenberg指出,冰表面的水分子并不是我们认为的液态水,只不过它们比整块冰的水分子有更少的化学键,它们排列的更加松散,体积更大,表层的水分子能够更好的自由振动,甚至是滑动。

这层自由的水分子就在冰层的表面起到了很好的润滑作用。

2019年11月4日发表在《物理评论X》上一篇论文首次研究和测量了冰表面的这层“水膜”。解释了这层水膜为何会使得冰如此之滑,因为我们知道水并不是很好的润滑剂。

实验团队开发了一种装备有音叉的设备,类似于用于音乐的音叉,可以非常精确地“听到”在冰上滑行时的作用力。

尽管这个仪器只有几厘米大,但它的灵敏度足以探测冰,并在纳米尺度上分析摩擦的性质。

通过这个实验,科学家第一次清楚地证明了这个薄膜的厚度只有几百纳米到一微米,或者说一根头发厚度的百分之一,比理论估计的要薄得多。

而且这层薄膜根本不是“简单的水”,而是由像油一样具有复杂粘弹性的水组成的。也就是说,冰表面并没有完全转化为液态水,而是一种冰水和碎冰混合状态。

这个实验就验证了光滑本身就是冰的一种固有性质的猜想。但是冰表面为何会在纳米级形成这样的结构我们依旧不是很清楚。

所以冰为什么很滑这个问题,并没有得到彻底的解答。自然就是这么神奇,小小的生活现象,却包含着大物理,甚至是一些未解之谜。

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