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技术支持

滑冰场的奥秘,你知道多少?
发布时间:2019-11-26   点击次数:354次

已经过了小雪,虽然南方还没有入冬,但东北早在9月份就下了冬天的一场雪。上周,黑龙江黑河学院的学生们拉着水罐车给操场连夜浇水,自己动手制造了一个滑冰场,让南方的同学纷纷吃起了柠檬。在愉快滑冰或者看别人愉快滑冰的时候,你们是不是也同样思考过这样一个问题:为什么冰那么滑?  

 

 

 

也许很多人都知道,冰之所以那么滑,除了冰面本身较光滑平整之外,更重要的是因为冰面上有一层水。早在19世纪就有科学家对这种现象进行解释。1886年,爱尔兰物理学家约翰·杰里提出“压力融解说”,即压力会使冰的熔点降低。当人穿着滑雪鞋站在冰面上时,体重会给冰刀下的冰施加压力,使接触面的冰融化形成一层薄薄的水层,起到润滑的作用。然而后续的研究却指出,一个正常体重的人穿着冰刀站在冰面上熔点降低的幅度很小,与赛场上冰面的低温相比几乎没有影响。   

 

“压力融解说”受到质疑后,科学家又提出了“摩擦融解说”和“表面融化说”。“摩擦融解说”认为冰刀与冰面的快速摩擦产生了热量使冰融化,但是却无法解释即使站在冰面上不动也可能滑倒的问题。“表面融化说”则认为冰层表面本来就有水存在。1987年,科学家通过X射线成像技术发现冰面上存在着一层只有大约100纳米厚的水分子层,不过因为水层太薄,在实验中几乎无法与冰面区分。2017年荷兰科学家用两束飞秒级的激光照射冰面,通过分析得到的光谱,证实冰面上确实存在液体层,在-3℃的冰面上,这个液体层有着4个分子厚。“表面融化说”得到了科学界的普遍认同。   

 

然而问题到这个阶段仍然没有解决。虽然冰面上水的来源已经有了一个比较合理的解释,但新的问题又出现了——冰表面的液体真的是水吗?水的润滑性很差,似乎无法用来为冰面润滑。一般的观点认为,当冰面受到压力时,水分会被挤压进冰面的缝隙中,使冰面变得更光滑,减少冰面的摩擦。   

 

来自新加坡与日本的研究人员分别提出了质疑。新加坡的研究人员认为水结冰之后表面的水分子之间的化学键虽然被拉长但没有断裂,形成一种“超固体皮肤”,而日本的研究人员认为这层液体是冰融化成水的中间状态。   

 

前几日,法国巴黎高等学院的研究小组利用配有音叉的超高分辨率新显微镜观察了冰面的液体层,利用音叉的振动在冰面上来回拖动一个玻璃球,为研究人员提供玻璃珠滑动时的摩擦数据,并且玻璃球还可以进出冰面,以便研究人员测量液体层的黏度。后的结果让研究人员感到吃惊——冰面液体层的黏性是正常水的100倍。   

 

这里的黏性不是胶水黏不黏的黏性,而是指流体粘度,定义为在一对平行板间充以某液体,对上板施加的使其产生速度变化度所需的力。流体润滑的原理是通过具有一定粘度的流体将摩擦副两表面隔开,用流体的内摩擦代替固体间的外摩擦。一般来说润滑剂的粘度越大,润滑效果越好。而普通的水粘度太小,很难形成润滑膜,因此无法作为润滑剂使用。但是当冰面水层的粘度增加到原来的100倍后,润滑效果就有了显著的提升。液体层的润滑性从何而来这个问题就此得到了解决。   

 

那么“冰面为什么这么滑”有答案了吗?依然没有,水层粘度变大的谜底还需要科学家去寻找。也许需要另一个像将音叉与显微镜结合这样的创意,制作出新的研究仪器,才能再向终答案迈出一步。

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