【科普】冰为什么这么滑？不是你认为的那么简单！

冰上有水

关于冰为什么这么滑，一个常规猜想是， 冰上有一层水。

想让物体变滑，只需薄薄一层润滑剂即可，它可以是水、蜡、矿物油，也可以是细砂粒、石墨粉。

当我们站在冰面上时，脚部并不是与冰面直接接触，而是隔着一层具有流动性的水膜。

图源网络

发表于《自然》杂志的一项新研究中，科学家们设计了一个巧妙的实验，来测量融水层的摩擦性质和相关特性。

他们使用一个音叉状的仪器，将一个毫米大小的玻璃珠附着在其中一个分支上。随着音叉的振动，玻璃珠像微小的冰刀一样在冰面上滑行。

在玻璃珠附近，有一个加速计，可以测出玻璃珠在平行和垂直于冰面方向的运动（振动幅度），从而计算出玻璃珠与冰面之间的摩擦力，并进而推算出融水薄膜的性质。

在实验中，玻璃珠附着在“音叉”上，随着其振动而振动，像微小的冰刀在冰面上滑行。| Nature

在实验中，玻璃珠附着在“音叉”上，随着其振动而振动，像微小的冰刀在冰面上滑行。| Nature

结果发现， 在冰的表面确实存在一层水膜，厚度为几百纳米到一微米，比之前理论计算的结果要小很多。

更加出乎意料的是， 这层水薄膜并不是单纯的水，而是水和冰的混合物。它的粘性比普通的水要大很多，几乎像油一样粘稠。

在负载重物时，这层“冰水与碎冰的混合物”既表现出来自固态冰的弹性，也表现出来自液态水的粘性。

这种粘弹性使得它不容易从间隙中被挤出来，从而可以始终隔在内层冰与玻璃珠（或其他物体，比如冰刀或你的鞋底）之间，阻止其直接接触，从而起到良好的润滑作用。

研究人员猜测，这或许正是冰很滑的奥秘所在，但还有更多具体的问题需要解答，比如这层水膜出现的条件是什么？

硬度与摩擦力的关系

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，这可以解释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。

但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解释。

近期发表在《物理评论X》上的一项研究中，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。

在这项新研究中，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。

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）

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解释摩擦的变化，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。

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）

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）

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。

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。

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）

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。

研究意义

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。可能有些小伙伴觉得研究冰为什么这么滑没有任何意义，其实这些研究结果能给我们的生活带来很大的便利。

比如说提出解决增加冰的摩擦力的新方案， 可以用在运动会的赛场上，也可以用在冬季道路结冰的路面。而且除了和冰有关的成果以外， 研究结果还能够为自修复润滑油实现超低的摩擦提供新途径。

转载自｜陕西科普返回搜狐，查看更多