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冰面为什么这么“丝滑”?

在2月7日进行的北京冬奥会花样滑冰团体赛冰舞自由舞比赛中,中国选手王诗玥/柳鑫宇在冰面上翩翩起舞 | 图源beijing2022.cn/

编者按

北京时间2月4日,北京冬奥会正式拉开帷幕。开幕式当天就有精彩的花样滑冰团体赛,在随后的花样滑冰女单、男单赛场上,我们又欣赏到选手们冰面上翩若惊鸿婉若游龙的身姿。

在观看冰壶、冰球、短道速滑、花样滑冰等冰上项目时,你有没有想过,冰面为什么这么“丝滑”?是摩擦生热导致冰面融化,还是人站在冰面上时压强增大使得冰面融化?这两种可能是大多数读者所认为的答案。

物理学博士吴进远指出,关于冰面为什么滑,这个问题其实并不简单,答案可能比你想的更有趣。
 

撰文 | 吴进远

责编 | 陈晓雪   王雨丹

 

水会在0摄氏度结冰,这是大家都有的一个常识。不过,很多读者马上会指出:不一定。纯净的水,在一个大气压下,其凝固点(即冰点)是0摄氏度。而如果水不纯,溶解了其它物质,它的凝固点就会降低。比如,冬天下雪后马路上撒了盐,就可以防止路面结冰。另一个改变冰点的因素是压强,压强越大则冰点越低。

 

01“压强改变熔点” 

当外界压强加到一个物体上时,一般而言其内部的分子趋向于被压得更 “瓷实”,或者说密度更大。对于大多数物质而言,固态比液态密度大,因而加压会使大多数物质倾向于由液态变成固态。我们可以粗略地想象把细碎的煤渣加压变成煤球。水的情况比较特殊,在一定的压强与温度范围内,液态的密度大于固态,于是加压倾向于使冰变成水。这有点像对一座砖房(固态的冰)加压,砖头之间的连接会被破坏,最终变成一个体积较小的砖头堆(液态的水)。

 

不过,对于压强改变熔点这件事人们也常会有些误会。在有的出版物上,可以看到这个说法:“将两块0摄氏度以下的冰用力压紧在一起,可以看到接触处冰融化成水,撤去压力,水又凝固为冰,结果两块冰合成一块冰”。此外,有的作者认为将疏松的雪粒放在手中积压成团,也是由于压强增加造成冰在较低温度下融化成水,然后又冻结成团。

 

压强增加使冰的熔点降低,这是对的。但上面这两个现象的解释却是有问题的:通常,用手挤压冰块或雪团,在冰雪颗粒表面产生的压强相当小,远不足使冰的熔点降低到足以融化。


 

02实验与解惑 

笔者做了一个使两块冰合成为一块冰的实验。

 

将一个冰块放在桌子上,随后,我们在冰块上叠合另一个冰块。冰块叠好后,轻轻地压一压,让冰块之间的水尽量挤出。这样经过几秒钟,当我们拿起上层的冰块,可以看到下层的冰块与上层的冰块已经冻结到一起了。

 

在这个实验中,我们并没有使劲压两块冰,因此,在这个实验中两块冰合成为一块冰的原因并不是压强造成冰融化然后又凝固。

 

我们这个实验是在室温环境中做的,在这种情况下,冰块周围已经包围了一层水,如下图所示:

 

图1 冰块的接触与冻结。图中,浅蓝色表示液态的水,深蓝色表示固态的冰

 

当两个冰块放到一起时,它们之间的水大部分被挤走,由于两个冰块的中心是低于0摄氏度的,它们之间的水夹在冰块之间,得不到外界空气的热量补充,很快温度下降到0摄氏度以下,于是就冻成了冰。

 

那么前面提到书上描写压强造成冰融化的实验能不能做成呢?也许可以,但不能在室温情况下做,因为室温下看到的现象根本与压强融化无关。

 

比如我们在冬天-1摄氏度环境下做这个实验,要想让冰在-1摄氏度融化需要多大压强呢?大约100大气压。当冰的接触面为1平方厘米时,需要约1000牛顿的力,相当于100公斤的重量(一公斤物体受到地球的重力是9.8牛顿,本文把这个数近似为10牛顿)。因此这个实验实际上很难做成。谁能用手指产生这么大的力?要不要请身手超好的少林寺的一指禅武僧来试试?

 

03用压强融化理论解释滑冰靠谱吗? 

很多读者会说,我们上学时学过,滑冰时,冰刀与冰面接触的地方产生很高的压强,使得接触点的冰熔点下降,化成水,起到润滑作用,使得摩擦力变得很小。

 

这个说法叫压强融化理论,它已经存在一百多年了。不过,近些年来,人们对这个理论产生了很大的怀疑。

 

首先,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,冰面的温度至少低于-3.5摄氏度。而短道速滑,冰球等比赛时,冰面温度更低。要想让冰在-3.5摄氏度融化,需要的压强大约350大气压,也就是3500万牛顿/平方米,或者说相当于在1平方米面积上堆放3500吨的重物。

 

当然,要产生这350大气压的压强也并不像我们直觉中想象的那么难,如果我们假设冰刀的有效长度为100毫米,宽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,需要运动员的体重达到175公斤就可以了。

 

您可能会问,有175公斤体重的滑冰运动员吗?我也有相同的疑问,要知道,我们这里算出的只是让冰在-3.5摄氏度融化需要的体重,如果冰面的温度更低,我们似乎就必须到举重或者相扑运动员中去挑选花样滑冰的苗子了。

 

然而事实上,我们并没有看到身轻如燕的花样滑冰选手在滑行时有任何困难。考虑一个更极端的例子:我们如果在冰面上放一块鹅卵石,用脚踢开,石头也会滑行很远。石头与冰面接触面积比较大而重量不大,因此对冰面的压强远不到几百个大气压。可见,压强融化应该不是使得冰变滑的主要机制,一定还存在其它的机制。

 

对于压强融化理论最强的一个反证是:冰在低于-20摄氏度时仍然是滑的,在这样一个严寒的环境中,人们仍然可以滑冰。而水在低于-20摄氏度时,不管怎么加压,都仍然是冰。

 

04滑冰时冰面为什么滑? 

近些年,人们逐渐发现了另外两个机制,即表面融化机制和摩擦融化机制。

 

摩擦融化机制,是指冰刀在冰面上快速滑过时,摩擦产生的热使得冰刀下的冰融化。也许这个机制在短道速滑中会起比较大的作用。

 

而表面融化机制,是指冰的表面始终存在薄薄的一层类似液态的水,即使在冰点以下也没有完全结成冰。就像一个烂尾的砖房,墙外总堆着一堆乱砖头(即没有结晶为固态的水)。从图2我们可以看出,在冰块内部,水分子按照一定的空间结构有规律地分布,结晶成为固态。而在冰块的表面,水分子紊乱随机地聚集在一起,每个分子受到外力后很容易移动位置,从而形成类似液态的薄层。

图2 冰块表面融化示意图

 

由于这层水始终存在,物体与冰面接触时,不需要太高的压强,就可以让这些水不断地润滑物体与冰的接触面,这样就使得冰变成滑的了。

 

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,从微观上讲,确有各种实验证据证实,在冰点以下,冰的表面存在没有结晶的、类似液态的水分子层,其厚度大约在10到100纳米量级。另一方面,在宏观世界,我们看到人们在远低于零下20摄氏度的环境中滑冰,而且也知道减肥并不会造成滑冰运动员成绩下降。这些现象,都更加支持表面融化机制。 

 

有兴趣的读者可以阅读以下参考文献:

http://lptms.u-psud.fr/membres/trizac/Ens/L3FIP/Ice.pdf

http://dujs.dartmouth.edu/2013/04/what-causes-ice-to-be-slippery/#.WTr8HE-GNR4

 



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