冰面为什么那么滑?

作者: lulu

来源: 科学世界

发布日期: 2018-02-27 18:02:27

冰面之所以滑,主要是因为冰面表层存在一层非常薄的水分子层,这一层水分子层的存在使得冰面摩擦力极小,从而使得滑冰运动能够顺利进行。

在刚刚结束的平昌冬奥会上,冰面运动的比赛之所以能正常进行,并且激烈好看,完全基于一个被我们忽视的事实:冰面是滑的。正因为冰面的摩擦力很小,速滑选手们才能一次次打破奥运会记录,滑出55公里/小时的惊人速度;花滑选手们才能“翩若惊鸿、婉若游龙”地不停转圈儿;而重达19公斤的冰壶居然能轻而易举地到达它想到达的任何地点。

观看比赛时,估计没有人会想:冰面为什么那么滑呢?但实际上,这个问题却已经困扰了科学家们长达2个世纪之久。研究的难点在于:滑冰的过程不太容易观察,冰刀划过冰面时,冰刀本身正好阻挡了我们的视线,谁也不知道那一瞬间,冰刀和冰面间究竟发生了什么……

为了搞清楚这个问题,科学家们不得不从头开始,从最基本的物理、化学性质开始重新认识研究的对象——冰。冰,到底是种怎样的物质呢?

绝大部分人都知道答案,冰是固态的水。正是这个凝固的过程让冰成为了一种特殊的物质。对于宇宙中绝大部分物质而言,固体比液体的密度更高。当物质被冷却凝结时,其内部的分子排列会变得更加紧密。但是冰却正好相反,当水的温度降低至0℃时,氢键按四面体链接方式将众多的H2O分子连接成庞大的分子晶体,因此,冰的密度通常比水更小,所以冷饮里的冰块才会浮在水面上。

分析完冰的特性,科学家们想出了如下几种原因,来解释冰面为什么那么滑?假设1:压力使冰融化。在19世纪,这种说法可以说是解释冰面为什么这么滑的标准答案。由一个名为James Thompson的科学家提出,他通过公式推算出,如果给冰施加压力,冰的熔点就会降低。也就是说,只要有足够大的压力,冰就会更容易变成水。这也和冰的密度比水小的特性十分吻合。然而,听起来似乎很有道理的解释却没能经得起进一步的推敲。

根据科学家们后续的计算发现,一个体重135斤的人穿着冰刀站在冰面时仅能让冰的熔点从0℃往下降低0.0167℃,而在花样滑冰的赛场上,冰面需要一直维持在-4.5℃左右。所以,压力的确能使冰融化,但绝对达不到在赛场上融化出水来润滑冰面的效果。

假设2:摩擦使冰融化。这个解释似乎更加直观,在冰面上运动,冰刀等器材不断摩擦冰面,难道还不能生出热量把冰面融化吗?可以是可以,但这个假设没法解释一种常见的现象,那就是冰面不是一般的滑,很多人一站到冰面上,动都没动就摔倒了,根本还没有足够的时间去摩擦生热。因此,科学家们坚定地认为,除了“摩擦生热”外,一定还有更特殊的原因。终于,有人提出了第3个假设。

假设3:冰面本来就有水。这个解题思路格外清奇。

人们已经想到了冰面滑是因为有水,因为要解释水从何而来而提出了前两个假设。结果,假设3认为,冰面表层本来就是有水的,自带的!实际上,这个现象也是很早就被物理学家Michael Faraday发现了,在冰柜里放置两块冰,将它们轻轻地堆叠在一起,过几个小时再打开冰柜看看,两块冰已经变成了一块。Faraday认为,冰块周围覆盖着薄薄的水层,当两个水层相遇,又冻成了冰。

这一猜想于1987年,被科学家们通过X射线成像技术证实。冰面上确实存在一层非常、非常、非常薄的水分子层,厚度约在100纳米量级。

时至今日,虽然对冰面为什么这么滑这一问题仍存在争议,但大多数科学家认为,假设3的说法更加靠谱,是冰面为什么这么滑的最主要原因。

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