幻灯二

溜冰如此好玩 可你知道冰为何那么滑溜吗?

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  假设一:压力融化冰。这基本上是错误的,但仍然很有趣。

  自19世纪以来,对于“冰为何光滑”这个问题,最常见的答案始终是“冰在压力下会融化”。这个想法来自詹姆斯·汤普森(James Thompson),他在19世纪50年代提出了一个数学模型,描述了冰的一种非常奇怪的性质:即在高压下,冰会变成水。这是因为,固态冰的密度比水小。如果你挤压冰,它就会变得不稳定并融化。

  你可以用非常简单的实验来证明这个效果。取一段铁丝,并在其两端加上重量,然后把铁丝平铺在块冰上。铁丝的压力会穿过冰切出干净的线条,而当铁丝穿过后,冰面会再次冻结,这一过程被称为“再膨胀”。人们很容易认为这就是溜冰鞋的工作原理:溜冰鞋下薄薄的刀刃施加的压力足以融化冰,以减少摩擦并允许滑行。

  但加州大学伯克利分校的理论化学教授大卫·利默(David Limmer)表示:“问题在于,你必须是个体型非常庞大的人,才能在任何合理的温度下充分融化冰块。”体重68公斤的人站在刀刃上,只会将冰的熔点从零摄氏度降至零下0.02摄氏度左右,而花样滑冰场的冰通常保持在零下4.44摄氏度左右。简单地说:滑冰运动员不能施加足够的压力来融化冰。

  利默解释称:“因此,虽然这个想法基本上是正确的,即你可以通过加压来融化冰,但这些数字根本没有意义。”此外,压力融化冰不是瞬间发生的。退休的理论物理学教授汉斯·范·莱文(Hans Van Leeuwen)最近发表关于溜冰的数学解释说:“当滑冰者在冰面上的某一点上只滞留了1毫秒的时间,他不太可能通过压力融化一层水。”

  假设二:摩擦融化冰。温度越来越高,但这并不能解释一切。

  所以刀刃对冰的压力不能解释溜冰鞋滑行的原因。那摩擦呢?溜冰鞋在冰面上的滑行运动是否能产生足够的热量来融化冰?这肯定是答案的一部分,但这并不能解释为什么冰从开始就这么滑。任何走在光滑人行道上的人都知道,你的脚一碰到冰就会滑倒。没有足够的时间产生熔化水膜所需的摩擦力。

  对此利默解释说,在滑冰问题上,摩擦“是一种二级效应”。摩擦帮助我们理解为何溜冰鞋在移动时滑行得越来越快,而不是为何溜冰鞋一开始就可以开始滑行。

  假设三:冰上有稀薄的液态水层,这才是关键。

  在詹姆斯·汤普森(James Thompson)解释为何压力会融化冰几年前,物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)就发现了冰的另一个令人着迷的特性:冰表面有薄薄的液态水层。他的实验很简单,你甚至可以在家里做。