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百年难题:冰为什么这么滑?
环球科学 Admin / 时间:2021-02-25 21:57:58

环球科学2月25日讯:为了对“冰为什么这么滑”给出确切说明,物理学家已经为之奋斗了近160年,但似乎仍然还“差点意思”。

大家经常在一些视频中看见行人在冬天的冰面上艰难行走时的各种花样跌倒画面。在冰上行走的艰难——一个“滑”字不足形容。其实,在冰面上滑行的难易程度取决于许多因素。

长期以来,一个被普遍接受的观点认为,冰之所以这么滑是因为冰面与滑动物体之间形成了一层能起到润滑作用的液态水。这一观点直到2019年才由一队物理学家证实。当时,一篇发表于《物理评论X》杂志的研究表明,冰面与滑动物体之间的确存在一层介于液态水和冰之间的状态的物质,这层物质的厚度非常薄,拥有极其优异的润滑性能。

然而到这里,困扰物理学家百余年的难题——“冰为什么这么滑”,仍然未得到彻底的解决。在通过研究冰面上的液体薄膜厚度,研究人员发现了摩擦力随温度变化的规律。在低至-100℃左右的温度下,摩擦力非常大,这可以说明为在这种低温下几乎不存在熔化现象,因此冰的表面非常干燥;当冰温度上升到-20℃左右时,液体层开始出现在冰面之上,薄薄的液体层起到了润滑作用,导致摩擦变小。

然而奇怪的是,当冰面的温度继续升高到0℃左右时,摩擦力再次增大。而这一点,物理学家无法通过具有润滑性能的薄膜来作出清晰说明。虽然有研究提出,这时摩擦力的增加是由于水膜厚度增加所引起的,但这种说法并没有得到实验观测的证实。

现在,阿姆斯特丹大学的物理学家Rinse Liefferink和他的同事通过一系列实验,测量了物体在冰上滑动时的摩擦力,以及冰在各种不同情况下的硬度,进一步揭示了与这一古老迷思有关的奥妙。他们将研究结果新发表在了近期的《物理评论X》上。

在通常情况下,研究冰的摩擦的实验会在一个小型的流变仪上进行。流变仪有着一个探针,探针与冰面接触,当滑动时探针会旋转。在新研究中,物理学家采用了三种不同形状的滑动探针,分别为一个半径为6毫米的大球、一个半径为0.75毫米的小球,以及一个宽5毫米一个冰刀 。他们测量了这三个不同的形状在滑动时的摩擦力。在实验过程中,研究人员会反复向冰面增添一层新的水,以此来维持冰面的光滑。冰的温度被控制在-120℃到-1.5℃之间。

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在实验中,流变仪上采用的三种不同形状的探针:大球、小球、冰刀。| 图片参考来源:APS/Alan Stonebraker

此外,他们还利用一个球形的探针来测量冰的硬度,冰的硬度值是由探针压入冰表面时所需施加的力所给出的。

测量结果表明,冰的硬度会随温度以及滑动速度变化。在温度较低时,冰的硬度更大;但在相同温度下,冰的硬度会随着更快的压入和更快的滑动增加。硬度的这种变化可以帮助说明摩擦的变化,当温度最低时,巨大的滑动摩擦可归因于水分子被牢牢地锁在了冰的表面,而这些分子的流动性会因为滑块的剪切作用而变得更强。在中等温度下,这些分子的流动性会表现得更强,因此摩擦力更低。当温度持续升高到熔点附近时,冰的硬度下降,导致一旦滑动物体能够穿透较软的冰面,就会产生高摩擦的“犁皱”(硬的颗粒使较软表面塑性变形而形成犁痕式的破坏)行为。

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图中显示了冰的摩擦力如何随着温度变化。| 图片参考来源:APS/Alan Stonebraker

研究发现,对于不同形状的探针,“犁皱”现象会开始于不同的温度。当压力恒定时,小球形状的探针会在-20℃时表现出犁皱现象;但有着更大的接触面积的滑板则会在-8℃时显示出的犁皱现象。研究人员总结道,这种区别与接触压力有关,与球体相比,接触面积更大的滑板有着更小的接触压力,这不仅延迟了犁皱的开始,并且还为冰面的水分子提供了更大的流动性,因此在更低的温度下滑板也能更好地滑动。

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当接触压力变得大于冰的硬度时,滑块开始犁入表面,使得摩擦显著增加。| 图片参考来源:APS/Alan Stonebraker

摩擦力对接触压力的依赖取决于与冰接触的滑块表面积的大小,以及压力是否已经大到足以启动犁皱现象。从实验结果来看,冰的硬度随滑动速度增加,也就是说,一个快速滑动的滑板犁皱得越少,滑动得越好。

冰是一种平常而又神奇的存在,它的许多特性都让科学家为之着迷。比如现在大家已经知道,尽管在其熔点附近它的硬度会有所下降,但其硬度仍然足以维持物体在表面上滑动,这是其他大多数材料在接近熔点时无法做到的,大多数材料在接近熔点时都会因为变得太过于柔软使得物体物体无法在其表面滑动。

为了揭开更多与冰有关的秘密,接下来,研究人员将考虑进一步探索冰的摩擦会如何受到其他条件,如天气、更快的滑动速度、冰的结构等因素影响。这种研究冰摩擦的新方法能够为提高冬季驾驶的安全性,以及让提供一些冬季运动项目的表现上起到帮助。


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