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冰为什么滑?科学家争论了一个世纪

【字体:   2021-12-27 09:34:58   来源: 国家气象科学数据中心  

冰上运动不失为冬季的一个绝佳选择。滑冰,往往会给人们带来很多乐趣。当你“驰骋”于冰场时,是否想过一个问题,冰面为什么是滑的?这个问题看似简单,实则困扰了科学家许多年。

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01

压力融解说

关于冰面为什么是滑的,科学界有三种解释。最为人们熟知的一个理论是“压力融解说”,该学说诞生于100多年前。科学家提出,如果用冰刀给单位面积的冰施加很大压力,这种压力会使接触面的冰融化,形成薄薄的水层,水层会起到很好的润滑作用,使摩擦系数变得非常小,便可以滑冰了。

在19世纪,这种说法被认为是解释冰面为什么这么滑的“标准答案”。

但后来的科学研究发现,要想让冰刀下的冰融化,需要非常高的压强。花样滑冰比赛的冰面温度至少低于-3.5℃,短道速滑、冰球等比赛的冰面温度则更低。要想让冰在-3.5℃融化,需要的压强大约是350帕,相当于在1平方米面积上堆放3500吨的重物,这需要运动员非常重的体重才能达到要求。但事实是,人们所见到的滑冰运动员大多身轻如燕,明显达不到要求。

02

摩擦融解说

在“压力融解说”不能合理解释冰面为什么滑之后,科学家又提出了两个导致冰面很滑的原因——“摩擦融解说”和“表面融化说”。

“摩擦融解说”认为,在冰面滑行时,冰刀与冰面之间进行快速摩擦,在这个过程中产生的热量使冰融化,融化产生的水起到了润滑剂的作用,所以冰面很滑。但这个理论也有缺陷,那就是冰面不是一般的滑,很多人一站到冰面上,动都没动就摔倒了,根本没有摩擦生热的时间。

03

表面融化说

“表面融化说”则指出,冰的表面存在一层薄薄的类似液态的水,即使在冰点以下也没有完全结成冰。科学家研究发现,当水结冰时,每一个水分子都会通过氢键抓住其周围的水分子,形成晶体结构,但表层的水分子周围缺少其他水分子,因此没有办法形成如冰块内部那般规则的结构,只能杂乱无序地游荡在表面。当物体与冰面接触时,不需要太高的压强就能让这些水不断地润滑物体与冰层的接触面,从而使冰面很滑。

截至目前,尽管大多数科学家认为“表面融化说”更加靠谱,但关于冰面为什么很滑的原因,科学界仍然是百家争鸣,没有得出统一答案。


编辑: 张波
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