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冰为什么这么滑 物理学家仍在探求答案

2017-08-11 09:23 来源:科技日报

  “2017亚洲公开花样滑冰锦标赛”于8月2日至5日在香港举行。在这场盛大的冰上炫舞中,花样滑冰运动员伴随着悠扬的乐曲旋转、跳跃,演绎出各种动作,用冰刀在冰面上刻划出各种图案,展现了花样滑冰运动的优美与激情。冰为什么这么滑呢?这个问题看似简单,但事实上,全世界的物理学家至今仍在探求真正的答案。

  广为人知的“压力融解说”

  如果给单位面积的冰施加很大的压力,这种压力会降低冰的熔点使接触面的冰融化,形成薄薄的水层,水层起到了很好的润滑作用。

  多年来致力于冰面摩擦研究的日本富山大学客座教授对马盛年博士表示:“冰是地球上摩擦力最小的物质。”冰之所以会有很小的摩擦力,是因为鞋与冰之间有一层水,水能起到润滑的作用,因此,滑冰运动员就可以穿着冰鞋在冰上自由滑动。

  但是冰上为什么会有一层水呢?对此,广为人知的一种解释是“压力融解说”。这种学说由爱尔兰物理学家约翰·杰里于1886年提出。他认为,如果用冰刀给单位面积的冰施加很大的压力,这种压力会使接触面的冰融化,形成薄薄的水层。水层会起到很好的润滑作用,这和被水弄湿的地面比较滑的道理是一样的。

  “压力确实能降低冰的熔点。”8月7日,中国力学学会专家郭亮告诉科技日报记者,熔点是指冰(固体)融化变成水(液体)时的温度。原本冰的熔点是0摄氏度,一旦外界加压,冰的熔点就会下降,也就是说即使在0摄氏度以下,冰也可能融化为水。

  科学家做过一个实验,在厚厚的冰块上搭上一根两端挂有重物的铁丝,由于铁丝很细,对接触铁丝部分的冰面造成很大的压强,这个部分冰的熔点就会降低,导致这里的冰先化了,于是挂着重物的铁丝就会嵌进冰块内部。融化的水在铁丝上方恢复了原有的压力,又会重新凝结成冰。最后铁丝就会从冰块下方穿出,而冰块还是那个冰块。

  对百年“压力融解说”的质疑

  要想让滑冰赛场上的冰融化,压强要达到约350个大气压,这需要运动员体重为175公斤,显然事实并非如此。

  虽然“压力融解说”已经存在了一百多年,但近些年来,人们对这个理论产生了很大的怀疑。

  美国费米国家加速器实验室的物理学家吴进远就不认同这个观点。他指出,要想让冰刀下的冰融化,需要非常高的压强。通常,花样滑冰比赛时,冰面的温度低于零下3.5摄氏度,要想让冰在零下3.5摄氏度融化,需要的压强大约为350大气压,相当于在1平方米上放置3500吨的重物。假设冰刀的有效长度为100毫米、宽为0.5毫米,则它的有效面积为50平方毫米,要想获得350大气压,需要运动员体重达到175公斤,显然事实并非如此。因此吴进远认为,压强融解应该不是使冰变滑的主要机制,一定还存在其他的机制。

  此外,郭亮也表示:“后来很多实验证明压力并不能使冰的融点下降太多。” 冰刀的刀刃压力引起的熔点下降仅仅在0.1摄氏度左右。事实上,零下20摄氏度的冰面也能够滑冰,这样“压力融解说”就更加无法解释冰很滑的原因了。

  看起来更靠谱的“表面融化说”

  当温度在零下22摄氏度以上时,冰的表面上始终有薄薄的一层永远不会凝固的水,这层水使得冰特别的滑,这是冰的特性。

  既然“压力融解说”看上去貌似有点不靠谱,于是勤奋的科学家们又提出了另外两个导致冰很滑的机制——“摩擦融解说”和“表面融化说”。

  “摩擦融解说”认为,就像我们摩擦双手手掌,掌心会生热变暖一样,在冰面上滑行,冰刀与冰面快速摩擦产生的热量会使冰融化,融化产生的水起到了润滑剂的作用,因而冰面很滑。但是这个理论也有痛脚,那就是即使你穿着滑冰鞋站着不动,你也可能滑倒,这说明摩擦并不是导致冰很滑的真正原因。

  “表面融化说”指出,冰的表面原本就非常平滑,因为当温度在零下22摄氏度以上时,冰的表面上始终有薄薄的一层永远不会凝固的水,这层水使得冰特别的滑。

  1996年,美国加州大学伯克利分校的化学家萨姆和物理学家胡佛通过实验证明:看起来平滑的冰面并非是完全平整的。萨姆认为,从实验结果看,冰面的上层有一层薄薄的水,冰面并没有真正冷凝。这层水具有永久性润滑的作用。当鞋底等物体给予冰面压力,水分子就会被挤压到冰面的细微缝隙之中,这使得冰面变得非常平滑,从而减小了冰面的摩擦力,所以冰面就会变得很滑。

  这两位科学家还发现,当温度降到零下22摄氏度以下时,冰面的平滑性能开始大大下降。这是因为在这样的温度条件下,具有润滑功能的薄水层几乎消失,冰面的平滑性也就显著降低。萨姆表示,冰面最上层有永久的薄水层是冰的特性。即使摩擦力没有做功产生热量,冰面也依旧是滑的。

  据了解,目前物理学界比较倾向于认同表面融化机制比压强融化机制起的作用更大。一方面,有实验证实,在冰点以下,冰的表面存在没有结晶、类似液态的水分子层,其厚度大约在10—100纳米量级;另一方面,人们甚至能在零下20摄氏度的环境中滑冰,而且也不认为减肥会导致滑冰运动员的成绩下降。这些现象都更加支持了表面融化机制。

  问题并没有获得圆满解决

  新加坡研究人员认为,冰上的那层水并不是真正的液态水,而是一种“超固体皮肤”。日本研究人员认为它是冰融化为水时的一种中间状态,是一种“准液体”。

  看似到了这里冰为什么很滑的谜题已经完美解开了,但是新的问题又出现了。冰上的那层水膜真的就是水吗?

  一位来自新加坡的研究人员认为,冰上的那层水并不是真正的液态水,而是一种“超固体皮肤”。他认为,水结冰以后表面上的水分子之间的化学键被拉长了,但化学键并没有断裂,这与液态水不同。而且,拉长的化学键会在表层与接触物之间产生一种静电斥力。这种静电斥力可以托起接触物,就像电磁力托起磁悬浮列车,空气托起气垫船那样,能够大幅度地减少摩擦阻力。尽管这位研究人员认为他已经完全解决了“冰为什这么滑”的问题,但是其他研究人员对此并不信服。2013年,一位来自日本的研究人员第一次直接观测了冰上的这一层结构,认为它是冰融化为水时的一种中间状态,应该是一种“准液体”。

  这样看来,到目前为止,关于冰面为什么很滑的原因,仍然是百家争鸣,见仁见智。

(责任编辑:王蔚)

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