冰面为什么很滑?物理学家仍在探求答案

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2017-08-11 04:00:55
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北京时间8月2日至5日,“2017亚洲公开花样滑冰锦标赛”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。那么,冰为什么这么滑呢?据中国大陆媒体《科技日报》介绍,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。

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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介绍,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。

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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3,500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。

乐趣十足的冰雪世界(图源:VCG)
编辑:苏念

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