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冰为什么很滑?问题看似简略却困扰人类几百年,至今没有完美答案

冰很滑,这件事在每一个人很小的时分都知道,由于咱们都在冬季的结冰的路面上溜过冰、摔过跤,因而冰的润滑现已成为了咱们的常识,像是一个不必证明的正义相同。咱们你问一个人冰为什么很滑?还很有可能会让这个人觉…

冰很滑,这件事在每一个人很小的时分都知道,由于咱们都在冬季的结冰的路面上溜过冰、摔过跤,因而冰的润滑现已成为了咱们的常识,像是一个不必证明的正义相同。

咱们你问一个人冰为什么很滑?还很有可能会让这个人觉得你问了一句废话,其实不然,在科学上咱们不只要总结常识,并且要知道其背面的原因,为什么会这样。

接下来咱们就聊下这个困扰人类数百年的问题。

在咱们日子中两个固体之间的冲突系数一般都十分大,咱们为了减小它们之间的冲突,咱们一般会将两个固体触摸的外表打磨的十分润滑。

但这样只会将冲突系数削减到必定的程度,并不会给咱们带来反常丝滑的感觉,例如家里的地板、玻璃外表能够说已将十分平整了,但冲突仍旧很大。

这说明两个物体之间冲突系数的巨细,其外表的润滑程度并不是仅有的要素。咱们咱们这是给地板上、瓷砖上、路面上、玻璃上洒一些水呢?乃至是一些油呢?

是不是很滑!尤其是冬季冰雪刚消融的时分,走在铺有瓷砖的路面,很简略摔一跤。所以说液体是削减两个固体之间冲突系数的要害。

由于液体层与层之间很简略会发生滑动,也便是说液体的内冲突系数十分小,咱们把它们洒在固体润滑的外表,能够大大减小两个物体之间的冲突,这便是日常日子中润滑油的效果。

那么这跟冰有什么关系呢?依据以上的常识,相同的道理,咱们就能够知道其实就固体冰自身而言它并不滑,滑的首要原因是它外表有一层看不见的水膜。

这一点在科学上现已被遍及承受,可是难点是,想解说冰上为什么会有一层水却不那么简略。

压力消融说

开始知道到这个问题的是迈克尔·法拉第,没错你是知道的那个发现电磁感应现象的法拉第,由于之前的科学家都比较万能,看见啥都想研讨。

1850年6月7日,法拉第在一次讲演中做着这样的试验,将两块刚取出来的冰,按在一同,很快两个冰块就会粘连。

法拉第以为冰层外表覆盖着一层液体薄膜,也便是行将结冰的水,即便在温度远低于冰点的情况下也是如此。

当两块冰彼此触摸的时分,它们中心的水就会从头冻住,充当了粘连剂。但其时詹姆斯·汤姆森并不赞同这样的观念,以为是两块冰在彼此触摸的时分,由于压力的升高导致了外表的冰消融,构成液态水膜。

并提出了冰点随压力升高而下降的线性关系表达式。他的弟弟威廉,也便是咱们熟知的开尔文勋爵经过试验证明了这个说法。

这就导致了后来近100年人们经过压力消融说来解说为什么冰很滑。

詹姆斯·汤姆森和他的弟弟并没有把这个理论用来解说冰为什么很滑,而是在1886年工程师约翰·乔利依据他俩的理论提出:冰很滑,是由于压力导致了冰外表的消融。

乔利还专门依据滑冰运动员做了一些核算,乔利指出滑冰运动员冰刀的与地上的触摸面积十分小,核算出的压力能够到达466个大气压,在这个压力下,冰的熔点会下降到- 3.5℃。

因而滑冰运动员的冰刀会与地上构成一层水膜。这便是冰很滑的原因。

信任你看了这个解说,会觉得很勉强,但便是这样的解说人们也信任了几十年。你看,照他这么说,低于- 3.5℃的情况下就无法滑冰了,北方的同学必定不容许,-10、-30摄氏度照样滑。

并且咱们穿平底鞋、就算躺在冰面上,这样压强够小了吧,仍旧很滑。所以这样的解说缝隙许多。

不过压力会导致冰的熔点下降这个理论是真的,但不能解说冰很滑的原因,也不是冰外表水膜构成的原因。

冲突加

热说

到了20世纪,也便是1939年弗兰克·p·鲍登和t·p·休斯提出,冰外表的水膜是由于冲突生热导致消融的成果。

为此它们还跑到了瑞士海拔3346米的冰洞中做了一系列的试验,得出了这样的成果,相同这样的说法也站不住脚。

冲突的确会发生必定的热量,但这样细小的热量仍是不足以消融温度很低的冰,并且你在滑动的时分,在你前面的冰还没有构成水膜,因而会有很大的阻力。

这也不足以解说为什么在冰上会具有十分长继续滑动的才能。其实这都不是要点,最首要的是,在一个斜面冰上,一开始我并没有滑动,应该没有生热,冰应该不滑,但为什么我仍然站不住呢?

因而到了21世纪,科学家以为冰外表的液体层是冰自身仿制的一种性质,也便是说冰自身就很滑,并不需要任何的压力和冲突来发生水膜。

不过现在科学家还没有完全处理,为何不论多低的温度,不论与物体有没有触摸,冰的外表总是有一层液体。这是一个正在研讨的问题,并且咱们也经过各种手法看到了这层水膜。

滑是冰固有的性质

不过问题是,相同是水膜,为什么它在冰上会更滑呢?在地板、瓷砖上就没有那么滑呢?

这说明冰外表天然构成的水膜跟咱们以为的水仍是由很大的差异的,它因该有一些比较特别的性质。

在2005年的《今天物理》谈论文章中,Robert Rosenberg指出,冰外表的水分子并不是咱们以为的液态水,只不过它们比整块冰的水分子有更少的化学键,它们牌子的愈加松懈,体积更大,表层的水分子能够更好的自在振荡,乃至是滑动。

这层自在的水分子就在冰层的外表起到了很好的润滑效果。

2019年11月4日宣布在《物理谈论X》上一篇论文初次研讨和测量了冰外表的这层“水膜”。解说了这层水膜为何会使得冰如此之滑,由于咱们知道水并不是很好的润滑剂。

试验团队开发了一种配备有音叉的设备,类似于用于音乐的音叉,能够十分精确地“听到”在冰上滑行时的效果力。

虽然这个仪器只要几厘米大,但它的灵敏度足以勘探冰,并在纳米尺度上剖析冲突的性质。

经过这个试验,科学家第一次清楚地证明了这个薄膜的厚度只要几百纳米到一微米,或者说一根头发厚度的百分之一,比理论估量的要薄得多。

并且这层薄膜底子不是“简略的水”,而是由像油相同具有杂乱粘弹性的水组成的。也便是说,冰外表并没有完全转化为液态水,而是一种冰水和碎冰混合状况。

这个试验就验证了润滑自身便是冰的一种固有性质的猜测。可是冰外表为何会在纳米级构成这样的结构咱们仍旧不是很清楚。

所以冰为什么很滑这个问题,并没有得到完全的回答。天然便是这么奇特,小小的日子现象,却包含着大物理,乃至是一些未解之谜。

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