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冰面為什么滑?這個問題不簡單

來源:光明網2017-06-20 09:16

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??? 編者按:《知識分子》6月9日推送的一篇文章談論了“凸凹不平的冰面為什么比平整的冰面滑”,其中寫道:“在壓強增大的時候,冰的熔點會降低”,滑冰鞋產生的壓強使得冰面融化,產生了少量水,從而減少摩擦。另外,文章認為,雪塊可以擠壓成團,也是利用的壓強使得熔點降低的特性。多位讀者留言,認為這一說法有待商榷。美國費米國家加速器實驗室的物理學家吳進遠指出,關于冰為什么滑,這個問題其實不簡單。下面,讓我們看看吳進遠博士的解釋。

  撰文 | 吳進遠(美國費米國家加速器實驗室)

  水會在0攝氏度結冰,這是大家都有的一個常識。不過,很多讀者馬上會指出,不一定。純凈的水,在一個大氣壓下,其凝固點是0攝氏度。而如果水不純,溶解了其它物質,它的凝固點就會降低。比如冬天下雪后馬路上撒了鹽,就可以防止路面結冰。另一個改變冰點的因素是壓強,壓強越大則冰點越低。

  “壓強改變熔點”

  當外界壓強加到一個物體上時,一般而言其內部的分子趨向于被壓得更“瓷實”,或者說密度更大。對于大多數物質而言,固態比液態密度大,因而加壓會使大多數物質傾向于由液態變成固態。我們可以粗略地想象把細碎的煤渣加壓變成煤球。水的情況比較特殊,在一定的壓強與溫度范圍內,液態的密度大于固態,于是加壓傾向于使冰變成水。這有點像對一座磚房(固態的冰)加壓,磚頭之間的連接會被破壞,最終變成一個體積較小的磚頭堆(液態的水)。

  不過,對于壓強改變熔點這件事人們也常會有些誤會。在有的出版物上,可以看到這個說法:“將兩塊0攝氏度以下的冰用力壓緊在一起,可以看到接觸處冰融化成水,撤去壓力,水又凝固為冰,結果兩塊冰合成一塊冰”。此外,有的作者認為將疏松的雪粒放在手中積壓成團,也是由于壓強增加造成冰在較低溫度下融化成水,然后又凍結成團。

  壓強增加使冰的熔點降低,這是對的。但上面這兩個現象的解釋卻是有問題的,通常用手擠壓冰塊或雪團,在冰雪顆粒表面產生的壓強相當小,遠不足使冰的熔點降低到足以融化。

  實驗與解惑

  將一個冰塊放在桌子上,隨后,我們在冰塊上疊合另一個冰塊。冰塊疊好后,輕輕地壓一壓,讓冰塊之間的水盡量擠出。這樣經過幾秒鐘,當我們拿起上層的冰塊,可以看到下層的冰塊與上層的冰塊已經凍結到一起了。

  在這個實驗中,我們并沒有使勁壓兩塊冰,因此,在這個實驗中兩塊冰合成為一塊冰的原因并不是壓強造成冰融化然后又凝固。

  我們這個實驗是在室溫環境中做的,在這種情況下,冰塊周圍已經包圍了一層水,如下圖所示:

  圖1:冰塊的接觸與凍結。圖中,淺藍色表示液態的水,深藍色表示固態的冰

  當兩個冰塊放到一起時,它們之間的水大部分被擠走,由于兩個冰塊的中心是低于0攝氏度的,它們之間的水夾在冰塊之間,得不到外界空氣的熱量補充,很快溫度下降到0攝氏度以下,于是就凍成了冰。

  那么前面提到書上描寫壓強造成冰融化的實驗能不能做成呢?也許可以,但不能在室溫情況下做,因為室溫下看到的現象根本與壓強融化無關。

  比如我們在冬天-1攝氏度環境下做這個實驗,要想讓冰在-1攝氏度融化需要多大壓強呢?大約100大氣壓。當冰的接觸面為1平方厘米時,需要約1000牛頓的力,相當于100公斤的重量。因此這個實驗實際上很難做成。誰能用手指產生這么大的力?要不要請身手超好的少林寺的一指禪武僧來試試?

  圖2:2004年,泉州少林寺武僧釋理亮表演一指禪絕技。來源:《東南早報》

  用壓強融化理論解釋滑冰靠譜嗎?

  很多讀者會說,我們初中(高中,大學或讀研)時學過,滑冰時,冰刀與冰面接觸的地方產生很高的壓強,使得接觸點的冰熔點下降,化成水,起到潤滑作用,使得摩擦力變得很小。

  這個說法叫壓強融化理論,它已經存在一百多年了,不過,近些年來,人們對這個理論產生了很大的懷疑。

  首先,要想讓冰刀下的冰融化,需要非常高的壓強。通常,花樣滑冰比賽時,冰面的溫度至少低于-3.5攝氏度。而短道速滑,冰球等比賽時,冰面溫度更低。要想讓冰在-3.5攝氏度融化,需要的壓強大約350大氣壓,也就是3500萬牛頓/平方米,或者說相當于在1平方米面積上堆放3500噸的重物(一公斤物體受到地球的重力是9.8牛頓,我們把這個數近似為10牛頓)。

  當然,要產生這350大氣壓的壓強也并不像我們直覺中想象的那么難,如果我們假設冰刀的有效長度為100毫米,寬0.5毫米,則它的有效面積為50平方毫米。要想獲得350大氣壓,需要運動員的體重達到175公斤就可以了。

  您可能會問,有175公斤體重的滑冰運動員嗎?我也有相同的疑問,要知道,我們這里算出的只是讓冰在-3.5攝氏度融化需要的體重,如果冰面的溫度更低,我們似乎就必須到舉重或者相撲運動員中,挑選花樣滑冰的苗子了。

  事實上,我們并沒有看到身輕如燕的花樣滑冰選手滑行時有任何困難。考慮一個更極端的例子,我們如果在冰面上放一塊鵝卵石,用腳踢開,石頭也會滑行很遠。石頭與冰面接觸面積比較大而重量不大,因此對冰面的壓強遠不到幾百個大氣壓。可見,壓強融化應該不是使得冰變滑的主要機制,一定還存在其它的機制。

  對于壓強融化理論最強的一個反證是冰在低于-20攝氏度時仍然是滑的,在這樣一個嚴寒的環境中,人們仍然可以滑冰。而水在低于-20攝氏度時,不管怎么加壓,都仍然是冰。

  滑冰時冰面為什么滑?

  近些年,人們逐漸發現了另外兩個機制,即表面融化機制和摩擦融化機制。

  摩擦融化機制是指冰刀在冰面上快速滑過時,摩擦產生的熱使得冰刀下的冰融化。也許這個機制在短道速滑中會起比較大的作用。

  而表面融化機制是指冰的表面始終存在薄薄的一層類似液態的水,即使在冰點以下也沒有完全結成冰。就像一個爛尾的磚房,墻外總堆著一堆亂磚頭(即沒有結晶為固態的水)。從圖3我們可以看出,在冰塊內部,水分子按照一定的空間結構有規律地分布,結晶成為固態。而在冰塊的表面,水分子紊亂隨機地聚集在一起,每個分子受到外力后很容易移動位置,從而形成類似液態的薄層。

  圖3:冰塊表面融化示意圖

  由于這層水始終存在,物體與冰面接觸時,不需要太高的壓強,就可以讓這些水不斷地潤滑物體與冰的接觸面,這樣就使得冰變成滑的了。

  目前物理學界比較傾向于認同表面融化機制比壓強融化機制起的作用更大。一方面,從微觀上講,確有各種實驗證據證實,在冰點以下,冰的表面存在沒有結晶的、類似液態的水分子層。其厚度大約在10到100納米量級。另一方面,在宏觀世界,我們看到人們在遠低于零下20攝氏度的環境中滑冰,而且也知道減肥并不會造成滑冰運動員成績下降。這些現象,都更加支持表面融化機制。

[ 責編:宋雅娟 ]
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