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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的各種花樣跌倒畫面。在冰上行走的艱難——一個“滑”字不足形容。其實，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，物理學家已經(jīng)為之奮斗了近160年，但似乎仍然還“差點意思”。

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長期以來，一個被普遍接受的觀點認為，冰之所以這么滑是因為冰面與滑動物體之間形成了一層能起到潤滑作用的液態(tài)水。這一觀點直到2019年才由一隊物理學家證實。當時，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，這層物質的厚度非常薄，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；當冰溫度上升到-20℃左右時，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，導致摩擦變小。

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然而奇怪的是，當冰面的溫度繼續(xù)升高到0℃左右時，摩擦力再次增大。而這一點，物理學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驗觀測的證實。

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現(xiàn)在，阿姆斯特丹大學的物理學家Rinse Liefferink和他的同事通過一系列實驗，測量了物體在冰上滑動時的摩擦力，以及冰在各種不同情況下的硬度，進一步揭示了與這一古老迷思有關的奧秘。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，研究冰的摩擦的實驗會在一個小型的流變儀上進行。流變儀有著一個探針，探針與冰面接觸，當滑動時探針會旋轉。在新研究中，物理學家采用了三種不同形狀的滑動探針，分別為一個半徑為6毫米的大球、一個半徑為0.75毫米的小球，以及一個寬5毫米一個冰刀 。他們測量了這三個不同的形狀在滑動時的摩擦力。在實驗過程中，研究人員會反復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。| 圖片參考來源：APS/Alan Stonebraker

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此外，他們還利用一個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，冰的硬度會隨溫度以及滑動速度變化。在溫度較低時，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，當溫度最低時，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，這些分子的流動性會表現(xiàn)得更強，因此摩擦力更低。當溫度持續(xù)升高到熔點附近時，冰的硬度下降，導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。當壓力恒定時，小球形狀的探針會在-20℃時表現(xiàn)出犁皺現(xiàn)象；但有著更大的接觸面積的滑板則會在-8℃時顯示出的犁皺現(xiàn)象。研究人員總結道，這種區(qū)別與接觸壓力有關，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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當接觸壓力變得大于冰的硬度時，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。從實驗結果來看，冰的硬度隨滑動速度增加，也就是說，一個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家為之著迷。比如現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，盡管在其熔點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)材料在接近熔點時無法做到的，大多數(shù)材料在接近熔點時都會因為變得太過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的秘密，接下來，研究人員將考慮進一步探索冰的摩擦會如何受到其他條件，如天氣、更快的滑動速度、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項目的表現(xiàn)上起到幫助。

#創(chuàng)作團隊：

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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