冰面為什么滑？這個(gè)問(wèn)題不簡(jiǎn)單｜新知
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編者按：
《知識(shí)分子》6月9日推送的一篇文章談?wù)摿?a target="_blank">“凸凹不平的冰面為什么比平整的冰面滑”，其中寫(xiě)道：“在壓強(qiáng)增大的時(shí)候，冰的熔點(diǎn)會(huì)降低”，滑冰鞋產(chǎn)生的壓強(qiáng)使得冰面融化，產(chǎn)生了少量水，從而減少摩擦。另外，文章認(rèn)為，雪塊可以擠壓成團(tuán)，也是利用的壓強(qiáng)使得熔點(diǎn)降低的特性。多位讀者留言，認(rèn)為這一說(shuō)法有待商榷。美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家吳進(jìn)遠(yuǎn)指出，關(guān)于冰為什么滑，這個(gè)問(wèn)題其實(shí)不簡(jiǎn)單。下面，讓我們看看吳進(jìn)遠(yuǎn)博士的解釋。
撰文 | 吳進(jìn)遠(yuǎn)（美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室）
責(zé)編 | 陳曉雪
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水會(huì)在0攝氏度結(jié)冰，這是大家都有的一個(gè)常識(shí)。不過(guò)，很多讀者馬上會(huì)指出，不一定。純凈的水，在一個(gè)大氣壓下，其凝固點(diǎn)是0攝氏度。而如果水不純，溶解了其它物質(zhì)，它的凝固點(diǎn)就會(huì)降低。比如冬天下雪后馬路上撒了鹽，就可以防止路面結(jié)冰。另一個(gè)改變冰點(diǎn)的因素是壓強(qiáng)，壓強(qiáng)越大則冰點(diǎn)越低。
“壓強(qiáng)改變?nèi)埸c(diǎn)”
當(dāng)外界壓強(qiáng)加到一個(gè)物體上時(shí)，一般而言其內(nèi)部的分子趨向于被壓得更“瓷實(shí)”，或者說(shuō)密度更大。對(duì)于大多數(shù)物質(zhì)而言，固態(tài)比液態(tài)密度大，因而加壓會(huì)使大多數(shù)物質(zhì)傾向于由液態(tài)變成固態(tài)。我們可以粗略地想象把細(xì)碎的煤渣加壓變成煤球。水的情況比較特殊，在一定的壓強(qiáng)與溫度范圍內(nèi)，液態(tài)的密度大于固態(tài)，于是加壓傾向于使冰變成水。這有點(diǎn)像對(duì)一座磚房（固態(tài)的冰）加壓，磚頭之間的連接會(huì)被破壞，最終變成一個(gè)體積較小的磚頭堆（液態(tài)的水）。
不過(guò)，對(duì)于壓強(qiáng)改變?nèi)埸c(diǎn)這件事人們也常會(huì)有些誤會(huì)。在有的出版物上，可以看到這個(gè)說(shuō)法：“將兩塊0攝氏度以下的冰用力壓緊在一起，可以看到接觸處冰融化成水，撤去壓力，水又凝固為冰，結(jié)果兩塊冰合成一塊冰”。此外，有的作者認(rèn)為將疏松的雪粒放在手中積壓成團(tuán)，也是由于壓強(qiáng)增加造成冰在較低溫度下融化成水，然后又凍結(jié)成團(tuán)。
壓強(qiáng)增加使冰的熔點(diǎn)降低，這是對(duì)的。但上面這兩個(gè)現(xiàn)象的解釋卻是有問(wèn)題的，通常用手?jǐn)D壓冰塊或雪團(tuán)，在冰雪顆粒表面產(chǎn)生的壓強(qiáng)相當(dāng)小，遠(yuǎn)不足使冰的熔點(diǎn)降低到足以融化。
實(shí)驗(yàn)與解惑
筆者做了一個(gè)使兩塊冰合成為一塊冰的實(shí)驗(yàn)。
將一個(gè)冰塊放在桌子上，隨后，我們?cè)诒鶋K上疊合另一個(gè)冰塊。冰塊疊好后，輕輕地壓一壓，讓冰塊之間的水盡量擠出。這樣經(jīng)過(guò)幾秒鐘，當(dāng)我們拿起上層的冰塊，可以看到下層的冰塊與上層的冰塊已經(jīng)凍結(jié)到一起了。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們并沒(méi)有使勁壓兩塊冰，因此，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中兩塊冰合成為一塊冰的原因并不是壓強(qiáng)造成冰融化然后又凝固。
我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在室溫環(huán)境中做的，在這種情況下，冰塊周圍已經(jīng)包圍了一層水，如下圖所示：
? 圖1：冰塊的接觸與凍結(jié)。圖中，淺藍(lán)色表示液態(tài)的水，深藍(lán)色表示固態(tài)的冰
當(dāng)兩個(gè)冰塊放到一起時(shí)，它們之間的水大部分被擠走，由于兩個(gè)冰塊的中心是低于0攝氏度的，它們之間的水夾在冰塊之間，得不到外界空氣的熱量補(bǔ)充，很快溫度下降到0攝氏度以下，于是就凍成了冰。
那么前面提到書(shū)上描寫(xiě)壓強(qiáng)造成冰融化的實(shí)驗(yàn)?zāi)懿荒茏龀赡兀恳苍S可以，但不能在室溫情況下做，因?yàn)槭覝叵驴吹降默F(xiàn)象根本與壓強(qiáng)融化無(wú)關(guān)。
比如我們?cè)诙?1攝氏度環(huán)境下做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，要想讓冰在-1攝氏度融化需要多大壓強(qiáng)呢？大約100大氣壓。當(dāng)冰的接觸面為1平方厘米時(shí)，需要約1000牛頓的力，相當(dāng)于100公斤的重量。因此這個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)際上很難做成。誰(shuí)能用手指產(chǎn)生這么大的力？要不要請(qǐng)身手超好的少林寺的一指禪武僧來(lái)試試？
? 圖2：2004年，泉州少林寺武僧釋理亮表演一指禪絕技。來(lái)源：《東南早報(bào)》
用壓強(qiáng)融化理論解釋滑冰靠譜嗎？
很多讀者會(huì)說(shuō)，我們初中（高中，大學(xué)或讀研）時(shí)學(xué)過(guò)，滑冰時(shí)，冰刀與冰面接觸的地方產(chǎn)生很高的壓強(qiáng)，使得接觸點(diǎn)的冰熔點(diǎn)下降，化成水，起到潤(rùn)滑作用，使得摩擦力變得很小。
這個(gè)說(shuō)法叫壓強(qiáng)融化理論，它已經(jīng)存在一百多年了，不過(guò)，近些年來(lái)，人們對(duì)這個(gè)理論產(chǎn)生了很大的懷疑。
首先，要想讓冰刀下的冰融化，需要非常高的壓強(qiáng)。通常，花樣滑冰比賽時(shí)，冰面的溫度至少低于-3.5攝氏度。而短道速滑，冰球等比賽時(shí)，冰面溫度更低。要想讓冰在-3.5攝氏度融化，需要的壓強(qiáng)大約350大氣壓，也就是3500萬(wàn)牛頓/平方米，或者說(shuō)相當(dāng)于在1平方米面積上堆放3500噸的重物（一公斤物體受到地球的重力是9.8牛頓，我們把這個(gè)數(shù)近似為10牛頓）。
當(dāng)然，要產(chǎn)生這350大氣壓的壓強(qiáng)也并不像我們直覺(jué)中想象的那么難，如果我們假設(shè)冰刀的有效長(zhǎng)度為100毫米，寬0.5毫米，則它的有效面積為50平方毫米。要想獲得350大氣壓，需要運(yùn)動(dòng)員的體重達(dá)到175公斤就可以了。
您可能會(huì)問(wèn)，有175公斤體重的滑冰運(yùn)動(dòng)員嗎？我也有相同的疑問(wèn)，要知道，我們這里算出的只是讓冰在-3.5攝氏度融化需要的體重，如果冰面的溫度更低，我們似乎就必須到舉重或者相撲運(yùn)動(dòng)員中，挑選花樣滑冰的苗子了。
事實(shí)上，我們并沒(méi)有看到身輕如燕的花樣滑冰選手滑行時(shí)有任何困難?？紤]一個(gè)更極端的例子，我們?nèi)绻诒嫔戏乓粔K鵝卵石，用腳踢開(kāi)，石頭也會(huì)滑行很遠(yuǎn)。石頭與冰面接觸面積比較大而重量不大，因此對(duì)冰面的壓強(qiáng)遠(yuǎn)不到幾百個(gè)大氣壓。可見(jiàn)，壓強(qiáng)融化應(yīng)該不是使得冰變滑的主要機(jī)制，一定還存在其它的機(jī)制。
對(duì)于壓強(qiáng)融化理論最強(qiáng)的一個(gè)反證是冰在低于-20攝氏度時(shí)仍然是滑的，在這樣一個(gè)嚴(yán)寒的環(huán)境中，人們?nèi)匀豢梢曰６诘陀?20攝氏度時(shí)，不管怎么加壓，都仍然是冰。
滑冰時(shí)冰面為什么滑？
近些年，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了另外兩個(gè)機(jī)制，即表面融化機(jī)制和摩擦融化機(jī)制。
摩擦融化機(jī)制是指冰刀在冰面上快速滑過(guò)時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱使得冰刀下的冰融化。也許這個(gè)機(jī)制在短道速滑中會(huì)起比較大的作用。
而表面融化機(jī)制是指冰的表面始終存在薄薄的一層類似液態(tài)的水，即使在冰點(diǎn)以下也沒(méi)有完全結(jié)成冰。就像一個(gè)爛尾的磚房，墻外總堆著一堆亂磚頭（即沒(méi)有結(jié)晶為固態(tài)的水）。從圖3我們可以看出，在冰塊內(nèi)部，水分子按照一定的空間結(jié)構(gòu)有規(guī)律地分布，結(jié)晶成為固態(tài)。而在冰塊的表面，水分子紊亂隨機(jī)地聚集在一起，每個(gè)分子受到外力后很容易移動(dòng)位置，從而形成類似液態(tài)的薄層。
?圖3：冰塊表面融化示意圖
由于這層水始終存在，物體與冰面接觸時(shí)，不需要太高的壓強(qiáng)，就可以讓這些水不斷地潤(rùn)滑物體與冰的接觸面，這樣就使得冰變成滑的了。
目前物理學(xué)界比較傾向于認(rèn)同表面融化機(jī)制比壓強(qiáng)融化機(jī)制起的作用更大。一方面，從微觀上講，確有各種實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)，在冰點(diǎn)以下，冰的表面存在沒(méi)有結(jié)晶的、類似液態(tài)的水分子層。其厚度大約在10到100納米量級(jí)。另一方面，在宏觀世界，我們看到人們?cè)谶h(yuǎn)低于零下20攝氏度的環(huán)境中滑冰，而且也知道減肥并不會(huì)造成滑冰運(yùn)動(dòng)員成績(jī)下降。這些現(xiàn)象，都更加支持表面融化機(jī)制。
有興趣的讀者可以閱讀下面的參考文獻(xiàn)：
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
制版編輯：斯嘉麗
