正在阅读:冰面为什么滑?这个问题不简单
首页> 科普频道> 知识分子 > 正文

冰面为什么滑?这个问题不简单

来源:光明网2017-06-20 09:16

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

    编者按:《知识分子》6月9日推送的一篇文章谈论了“凸凹不平的冰面为什么比平整的冰面滑”,其中写道:“在压强增大的时候,冰的熔点会降低”,滑冰鞋产生的压强使得冰面融化,产生了少量水,从而减少摩擦。另外,文章认为,雪块可以挤压成团,也是利用的压强使得熔点降低的特性。多位读者留言,认为这一说法有待商榷。美国费米国家加速器实验室的物理学家吴进远指出,关于冰为什么滑,这个问题其实不简单。下面,让我们看看吴进远博士的解释。

  撰文 | 吴进远(美国费米国家加速器实验室)

  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。

  “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。

  实验与解惑

  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。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?

  图2:2004年,泉州少林寺武僧释理亮表演一指禅绝技。来源:《东南早报》

  用压强融化理论解释滑冰靠谱吗?

  很多读者会说,我们初中(高中,大学或读研)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(一公斤物体受到地球的重力是9.8牛顿,我们把这个数近似为10牛顿)。

  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,挑选花样滑冰的苗子了。

  事实上,我们并没有看到身轻如燕的花样滑冰选手滑行时有任何困难。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。

  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3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3: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。

[ 责编:宋雅娟 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 昆明:东风坝开合浮桥正式对市民开放

  • 美国联邦政府再“停摆”的首日

独家策划

推荐阅读
科普资源“需求侧”井喷,“供给侧”该如何应对?
2025-09-30 02:50
从今天起,我们不妨每天给孩子留出30分钟,让他们把第一个“为什么”写下来;不妨对孩子说一句“这个问题真有意思,一起找答案”;不妨在课堂上把“解题步骤”暂时收起,让学生先猜、先试,让好奇心重新成为我们最闪耀的指南针。
2025-09-30 04:05
这个秋天,北京航空航天大学的一批新生将开启一段独特的学习旅程:从大二开始,他们将亲手参与设计一架低空飞行器,直至它真正试飞升空。想象一下,课堂上学到的公式和图纸,几年后竟能化作低空飞行器飞向蓝天,多么振奋人心!这不是科幻电影,而是北航在全国率先开设的“低空技术与工程”专业推出的“项目制人才培养”真实场景。
2025-09-30 04:05
时代浪潮奔涌,技术创新日新月异,国家发展对高素质应用型人才的需求比以往任何时候都更为迫切。由“中国制造”迈向“中国智造”,从关键技术的突破到现代产业体系的构建,处处都需要既掌握扎实理论知识,又具备卓越实践能力的青年英才。
2025-09-30 04:05
辽中凹陷位于渤海北部海域,平均水深22米。探井JZ27-6-3井钻遇油气层57.4米,完钻井深1925米。经测试,该井日产原油约500吨,日产天然气约2万立方米。
2025-09-30 04:05
2025年全国古树名木保护科普宣传周活动29日在广州启动。记者从启动仪式上获悉,为进一步加强古树名木保护,我国已启动第三次全国古树名木资源普查,并严格落实《古树名木保护条例》,按照“一树一策”“一群一策”原则,持续推进科学保护管理,推动古树名木高水平保护和高质量发展。
2025-09-30 04:05
成功攻克了近距离飞行与高精度操作难以兼顾的核心技术难题
2025-09-30 02:50
当科研人员在各自领域里突飞猛进时,科幻创作需要正视专业壁垒与认知鸿沟,更重要的是寻找方法跨越鸿沟。
2025-09-30 02:50
健全大联合、广协同、全覆盖、共建共治共享的国家科普体系,全面构筑新时代国家科普能力
2025-09-30 02:50
建设海洋强国,离不开海洋文化等软实力的支撑。
2025-09-29 09:22
2025年世界新能源汽车大会27日在海南海口开幕。大会以“产业变革与可持续发展”为主题,策划了18场会议、2场闭门会议、技术展览、科技评选和系列科普活动。
2025-09-29 05:25
国家“十四五”规划重点工程——青藏直流二期扩建工程28日正式投运,可将青海与西藏之间的输电能力提高一倍,达到120万千瓦,对于提高西藏电力供应保障能力,促进清洁能源大范围优化配置,服务建设新型电力系统具有重要意义。
2025-09-29 05:25
日前,第五届世界生物圈保护区大会在浙江杭州落下帷幕。这场十年一届的盛会首次在亚洲举行,各方代表齐聚一堂,汇聚共识,共同探讨进一步促进人与自然和谐共生、实现可持续发展的思路与举措。
2025-09-29 05:25
科普是国家创新体系的重要组成部分,是实现创新发展的基础性工作。
2025-09-29 03:15
“我们要做轻量化,就是要做轻量化生态,要建设轻量化生态系统。”在2025(第十八届)汽车轻量化大会(以下简称“大会”)上,北汽福田欧曼事业部研发中心底盘系统高级主任工程师兼公司轻量化负责人李军代表公司获得“汽车轻量化创新成果大赛卓越成果奖”,展现了中国商用车轻量化技术的最新突破。
2025-09-29 07:19
目前,我国专业技术人才超过8000万人,技能劳动者总量超过2.2亿人,其中高技能人才超过7200万人,为推动高水平科技自立自强、建设现代化产业体系提供了坚实人才支撑。
2025-09-28 09:45
9月27日20时40分,我国在太原卫星发射中心使用长征六号改运载火箭,成功将卫星互联网低轨11组卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。
2025-09-28 09:39
今天,横跨贵州省贞丰县与关岭县的世界第一高桥——六安高速花江峡谷大桥正式建成通车。大桥通车后,原来需要绕行2小时的花江峡谷两岸贞丰县至关岭县,如今仅需2分钟即可直达,真正实现了“天堑变通途”。
2025-09-28 09:39
近日,2025亚太机器人世界杯青岛国际邀请赛在青岛西海岸新区举行,来自12个国家和地区的84支代表队同台竞技。在各类比赛中,人形机器人足球赛吸引了最多观众“观战”。
2025-09-28 04:15
加载更多