在一些視頻中，我們經(jīng)常會看到各種冬天行人在冰面上艱難行走的摔倒畫面 。在冰上行走的難度——一個“滑”字不足以形容 。事實上，在冰上滑行的難度取決于很多因素 。為了給“冰為什么這么滑”一個確切的解釋，物理學(xué)家們?yōu)榇藠^斗了近160年，但似乎還是“差不多” 。
長期以來，人們普遍認為冰之所以這么滑，是因為冰面與滑動物體之間形成了一層可以潤滑的液態(tài)水 。這個觀點直到2019年才被一個物理學(xué)家團隊證實 。當(dāng)時發(fā)表在《物理評論X》雜志上的一項研究表明，在冰面和滑動物體之間，確實存在一層介于液態(tài)水和冰之間的物質(zhì) 。這層物質(zhì)的厚度很薄，具有極其優(yōu)異的潤滑性能 。
然而，在這里，困擾物理學(xué)家一百多年的謎題——“冰為什么這么滑”并沒有完全解開 。通過研究冰面上的液膜厚度，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，摩擦力很大，可以解釋為在這個低溫下幾乎沒有融化現(xiàn)象，所以冰的表面很干燥；當(dāng)冰溫上升到-20℃左右時，冰面開始出現(xiàn)液層，薄液層起到潤滑作用，摩擦力變小 。
然而奇怪的是，當(dāng)冰面溫度繼續(xù)上升到0℃左右時，摩擦力又增加了 。然而，物理學(xué)家無法用具有潤滑性能的薄膜來解釋清楚這一點 。雖然有研究認為此時摩擦力的增加是由于水膜厚度的增加引起的，但這種說法并沒有得到實驗觀察的證實 。
現(xiàn)在，阿姆斯特丹大學(xué)的物理學(xué)家Rinse Liefferink和他的同事們通過一系列實驗測量了一個物體在冰上滑動的摩擦力和各種條件下冰的硬度，進一步揭示了與這個古老神話有關(guān)的奧秘 。他們在最近的《物理評論x》上發(fā)表了他們的研究成果 。
通常，研究冰的摩擦力的實驗將在小型流變儀上進行 。流變儀有探頭，接觸冰面，滑動時旋轉(zhuǎn) 。在新的研究中，物理學(xué)家使用了三種不同形狀的滑動探針，即半徑為6mm的大球、半徑為0.75mm的小球和寬度為5mm的溜冰鞋 。他們測量了三種不同形狀滑動時的摩擦力 。在實驗過程中，研究人員將反復(fù)向冰面添加一層新的水，以保持其光滑 。冰的溫度控制在-120℃到-1.5℃之間 。
實驗中，流變儀上使用了三種不同形狀的探針:大球、小球和冰刀 。|圖片參考來源:APS/Alan Stonebraker
此外，他們還使用球形探針測量冰的硬度，冰的硬度值由探針壓入冰面時所需的力給出 。
測量結(jié)果表明，冰的硬度會隨著溫度和滑動速度的變化而變化 。溫度低的時候，冰的硬度更大；但在同樣的溫度下，冰的硬度會隨著更快的按壓和滑動而增加 。硬度的這種變化有助于解釋摩擦力的變化 。溫度最低時，巨大的滑動摩擦力可以歸結(jié)為水分子被牢牢地鎖定在冰面上，這些分子的流動性會因為滑塊的剪切作用而變得更強 。在適中的溫度下，這些分子的流動性會更強，所以摩擦力會更低 。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到接近熔點時，冰的硬度降低，一旦滑動物體可以穿透柔軟的冰面，就會產(chǎn)生高摩擦的“犁皺”(硬顆粒使柔軟的表面發(fā)生塑性變形，形成犁痕損傷) 。
這幅圖顯示了冰的摩擦力是如何隨溫度變化的 。|圖片參考來源:APS/Alan Stonebraker
研究發(fā)現(xiàn)，對于不同形狀的探針，“犁皺”將在不同的溫度下開始 。當(dāng)壓力不變時，小球形狀的探頭在-20℃時會出現(xiàn)犁皺現(xiàn)象；而接觸面積較大的滑板在-8℃會出現(xiàn)犁皺現(xiàn)象 。研究人員得出結(jié)論，這種差異與接觸壓力有關(guān) 。與球體相比，接觸面積更大的滑板接觸壓力更小，不僅延緩了犁皺的開始，還為冰上的水分子提供了更大的流動性，因此滑板可以在更低的溫度下更好地滑行 。
當(dāng)接觸壓力變得大于冰的硬度時，滑塊開始進入表面，導(dǎo)致摩擦力顯著增加 。|圖片參考來源:APS/Alan Stonebraker
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