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我們經(jīng)常在一些視頻中看見(jiàn)行人在冬天的冰面上艱難行走時(shí)的各種花樣跌倒畫(huà)面。在冰上行走的艱難——一個(gè)“滑”字不足形容。其實(shí)，在冰面上滑行的難易程度取決于許多因素。為了對“冰為什么這么滑”給出確切解釋?zhuān)锢韺W(xué)家已經(jīng)為之奮斗了近160年，但似乎仍然還“差點(diǎn)意思”。

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長(cháng)期以來(lái)，一個(gè)被普遍接受的觀(guān)點(diǎn)認為，冰之所以這么滑是因為冰面與滑動(dòng)物體之間形成了一層能起到潤滑作用的液態(tài)水。這一觀(guān)點(diǎn)直到2019年才由一隊物理學(xué)家證實(shí)。當時(shí)，一篇發(fā)表于《物理評論X》雜志的研究表明，冰面與滑動(dòng)物體之間的確存在一層介于液態(tài)水和冰之間的狀態(tài)的物質(zhì)，這層物質(zhì)的厚度非常薄，擁有極其優(yōu)異的潤滑性能。

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然而到這里，困擾物理學(xué)家百余年的難題——“冰為什么這么滑”，仍然未得到徹底的解決。在通過(guò)研究冰面上的液體薄膜厚度，研究人員發(fā)現了摩擦力隨溫度變化的規律。在低至-100℃左右的溫度下，摩擦力非常大，這可以解釋為在這種低溫下幾乎不存在熔化現象，因此冰的表面非常干燥；當冰溫度上升到-20℃左右時(shí)，液體層開(kāi)始出現在冰面之上，薄薄的液體層起到了潤滑作用，導致摩擦變小。

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然而奇怪的是，當冰面的溫度繼續升高到0℃左右時(shí)，摩擦力再次增大。而這一點(diǎn)，物理學(xué)家無(wú)法通過(guò)具有潤滑性能的薄膜來(lái)作出清晰解釋。雖然有研究提出，這時(shí)摩擦力的增加是由于水膜厚度增加所引起的，但這種說(shuō)法并沒(méi)有得到實(shí)驗觀(guān)測的證實(shí)。

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現在，阿姆斯特丹大學(xué)的物理學(xué)家Rinse Liefferink和他的同事通過(guò)一系列實(shí)驗，測量了物體在冰上滑動(dòng)時(shí)的摩擦力，以及冰在各種不同情況下的硬度，進(jìn)一步揭示了與這一古老迷思有關(guān)的奧秘。他們將研究結果新發(fā)表在了近期的《物理評論X》上。

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在通常情況下，研究冰的摩擦的實(shí)驗會(huì )在一個(gè)小型的流變儀上進(jìn)行。流變儀有著(zhù)一個(gè)探針，探針與冰面接觸，當滑動(dòng)時(shí)探針會(huì )旋轉。在新研究中，物理學(xué)家采用了三種不同形狀的滑動(dòng)探針，分別為一個(gè)半徑為6毫米的大球、一個(gè)半徑為0.75毫米的小球，以及一個(gè)寬5毫米一個(gè)冰刀 。他們測量了這三個(gè)不同的形狀在滑動(dòng)時(shí)的摩擦力。在實(shí)驗過(guò)程中，研究人員會(huì )反復向冰面增添一層新的水，以此來(lái)維持冰面的光滑。冰的溫度被控制在-120℃到-1.5℃之間。

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在實(shí)驗中，流變儀上采用的三種不同形狀的探針：大球、小球、冰刀。| 圖片參考來(lái)源：APS/Alan Stonebraker

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此外，他們還利用一個(gè)球形的探針來(lái)測量冰的硬度，冰的硬度值是由探針壓入冰表面時(shí)所需施加的力所給出的。

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測量結果表明，冰的硬度會(huì )隨溫度以及滑動(dòng)速度變化。在溫度較低時(shí)，冰的硬度更大；但在相同溫度下，冰的硬度會(huì )隨著(zhù)更快的壓入和更快的滑動(dòng)增加。硬度的這種變化可以幫助解釋摩擦的變化，當溫度最低時(shí)，巨大的滑動(dòng)摩擦可歸因于水分子被牢牢地鎖在了冰的表面，而這些分子的流動(dòng)性會(huì )因為滑塊的剪切作用而變得更強。在中等溫度下，這些分子的流動(dòng)性會(huì )表現得更強，因此摩擦力更低。當溫度持續升高到熔點(diǎn)附近時(shí)，冰的硬度下降，導致一旦滑動(dòng)物體能夠穿透較軟的冰面，就會(huì )產(chǎn)生高摩擦的“犁皺”（硬的顆粒使較軟表面塑性變形而形成犁痕式的破壞）行為。

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圖中顯示了冰的摩擦力如何隨著(zhù)溫度變化。| 圖片參考來(lái)源：APS/Alan Stonebraker

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研究發(fā)現，對于不同形狀的探針，“犁皺”現象會(huì )開(kāi)始于不同的溫度。當壓力恒定時(shí)，小球形狀的探針會(huì )在-20℃時(shí)表現出犁皺現象；但有著(zhù)更大的接觸面積的滑板則會(huì )在-8℃時(shí)顯示出的犁皺現象。研究人員總結道，這種區別與接觸壓力有關(guān)，與球體相比，接觸面積更大的滑板有著(zhù)更小的接觸壓力，這不僅延遲了犁皺的開(kāi)始，并且還為冰面的水分子提供了更大的流動(dòng)性，因此在更低的溫度下滑板也能更好地滑動(dòng)。

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當接觸壓力變得大于冰的硬度時(shí)，滑塊開(kāi)始犁入表面，使得摩擦顯著(zhù)增加。| 圖片參考來(lái)源：APS/Alan Stonebraker

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摩擦力對接觸壓力的依賴(lài)取決于與冰接觸的滑塊表面積的大小，以及壓力是否已經(jīng)大到足以啟動(dòng)犁皺現象。從實(shí)驗結果來(lái)看，冰的硬度隨滑動(dòng)速度增加，也就是說(shuō)，一個(gè)快速滑動(dòng)的滑板犁皺得越少，滑動(dòng)得越好。

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冰是一種平常而又神奇的存在，它的許多特性都讓科學(xué)家為之著(zhù)迷。比如現在我們已經(jīng)知道，盡管在其熔點(diǎn)附近它的硬度會(huì )有所下降，但其硬度仍然足以維持物體在表面上滑動(dòng)，這是其他大多數材料在接近熔點(diǎn)時(shí)無(wú)法做到的，大多數材料在接近熔點(diǎn)時(shí)都會(huì )因為變得太過(guò)于柔軟使得物體物體無(wú)法在其表面滑動(dòng)。

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為了揭開(kāi)更多與冰有關(guān)的秘密，接下來(lái)，研究人員將考慮進(jìn)一步探索冰的摩擦會(huì )如何受到其他條件，如天氣、更快的滑動(dòng)速度、冰的結構等因素影響。這種研究冰摩擦的新方法能夠為提高冬季駕駛的安全性，以及讓提供一些冬季運動(dòng)項目的表現上起到幫助。

#創(chuàng )作團隊：

文：二宗主

圖：岳岳

#參考來(lái)源：

https://physics.aps.org/articles/v14/20 https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011025

#圖片來(lái)源：

封面圖來(lái)源：8moments / Pixabay



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