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我們經(jīng)常在一些視頻中看見行人在冬天的冰面上艱難行走時(shí)的各種花樣跌倒畫面。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，物理學(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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長期以來，一個(gè)被普遍接受的觀點(diǎn)認(rèn)為，冰之所以這么滑是因?yàn)楸媾c滑動物體之間形成了一層能起到潤滑作用的液態(tài)水。這一觀點(diǎn)直到2019年才由一隊(duì)物理學(xué)家證實(shí)。當(dāng)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。在通過研究冰面上的液體薄膜厚度，研究人員發(fā)現(xiàn)了摩擦力隨溫度變化的規(guī)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(xiàn)象，因此冰的表面非常干燥；當(dāng)冰溫度上升到-20℃左右時(shí)，液體層開始出現(xiàn)在冰面之上，薄薄的液體層起到了潤滑作用，導(dǎo)致摩擦變小。

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然而奇怪的是，當(dāng)冰面的溫度繼續(xù)升高到0℃左右時(shí)，摩擦力再次增大。而這一點(diǎn)，物理學(xué)家無法通過具有潤滑性能的薄膜來作出清晰解釋。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，但這種說法并沒有得到實(shí)驗(yàn)觀測的證實(shí)。

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現(xiàn)在，阿姆斯特丹大學(xué)的物理學(xué)家Rinse Liefferink和他的同事通過一系列實(shí)驗(yàn)，測量了物體在冰上滑動時(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(jié)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(yàn)會在一個(gè)小型的流變儀上進(jìn)行。流變儀有著一個(gè)探針，探針與冰面接觸，當(dāng)滑動時(shí)探針會旋轉(zhuǎn)。在新研究中，物理學(xué)家采用了三種不同形狀的滑動探針，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)不同的形狀在滑動時(shí)的摩擦力。在實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員會反復(fù)向冰面增添一層新的水，以此來維持冰面的光滑。冰的溫度被控制在-120℃到-1.5℃之間。

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

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此外，他們還利用一個(gè)球形的探針來測量冰的硬度，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(jié)果表明，冰的硬度會隨溫度以及滑動速度變化。在溫度較低時(shí)，冰的硬度更大；但在相同溫度下，冰的硬度會隨著更快的壓入和更快的滑動增加。硬度的這種變化可以幫助解釋摩擦的變化，當(dāng)溫度最低時(shí)，巨大的滑動摩擦可歸因于水分子被牢牢地鎖在了冰的表面，而這些分子的流動性會因?yàn)榛瑝K的剪切作用而變得更強(qiáng)。在中等溫度下，這些分子的流動性會表現(xiàn)得更強(qiáng)，因此摩擦力更低。當(dāng)溫度持續(xù)升高到熔點(diǎn)附近時(shí)，冰的硬度下降，導(dǎo)致一旦滑動物體能夠穿透較軟的冰面，就會產(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溫度變化。| 圖片參考來源：APS/Alan Stonebraker

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研究發(fā)現(xiàn)，對于不同形狀的探針，“犁皺”現(xiàn)象會開始于不同的溫度。當(dāng)壓力恒定時(shí)，小球形狀的探針會在-20℃時(shí)表現(xiàn)出犁皺現(xiàn)象；但有著更大的接觸面積的滑板則會在-8℃時(shí)顯示出的犁皺現(xiàn)象。研究人員總結(jié)道，這種區(qū)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更小的接觸壓力，這不僅延遲了犁皺的開始，并且還為冰面的水分子提供了更大的流動性，因此在更低的溫度下滑板也能更好地滑動。

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當(dāng)接觸壓力變得大于冰的硬度時(shí)，滑塊開始犁入表面，使得摩擦顯著增加。| 圖片參考來源：APS/Alan Stonebraker

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摩擦力對接觸壓力的依賴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)大到足以啟動犁皺現(xiàn)象。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，冰的硬度隨滑動速度增加，也就是說，一個(gè)快速滑動的滑板犁皺得越少，滑動得越好。

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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)家為之著迷。比如現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，盡管在其熔點(diǎn)附近它的硬度會有所下降，但其硬度仍然足以維持物體在表面上滑動，這是其他大多數(shù)材料在接近熔點(diǎn)時(shí)無法做到的，大多數(shù)材料在接近熔點(diǎn)時(shí)都會因?yàn)樽兊锰^于柔軟使得物體物體無法在其表面滑動。

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為了揭開更多與冰有關(guān)的秘密，接下來，研究人員將考慮進(jìn)一步探索冰的摩擦?xí)绾问艿狡渌麠l件，如天氣、更快的滑動速度、冰的結(jié)構(gòu)等因素影響。這種研究冰摩擦的新方法能夠?yàn)樘岣叨抉{駛的安全性，以及讓提供一些冬季運(yùn)動項(xiàng)目的表現(xiàn)上起到幫助。

#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：

文：二宗主

圖：岳岳

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖來源：8moments / Pixabay



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