在高纬度地区的冬季,生活在那里的人们可能都有过在冰面上摔屁股墩子的体验,跑着摔,走着摔,甚至站着摔...
而除了“民间身体搞笑”艺术之外,无论是时速56km/h的短道速滑,还是“花里胡哨”的花样滑冰,这些运动都反映出一个问题:冰上面很滑,这也是大家所普遍接受的事实。
但在过去的近两个世纪里,科学家一直很迷惑,冰上面为什么总是滑滑的呢?
首先得来了解一下,什么是冰?
冰就是固态的水,这个大家都知道。而对于大多数物质而言,固相比液相的分子结构更加致密,但是冰却不一样,当温度降到0℃时,水会开始结冰,这时原本连接水分子的特殊氢键会在水分子之间形成额外的空间,这也是冰山为什么会漂浮在海洋中的原因。
左边是液态水,右边是固态冰
基于冰的这一特性,在冬季奥运会上,不同的冰雪项目也需要使用不同的冰面,比如速滑赛道上需要使用不含矿物质的纯净水冻结成冰,并且要多铺几层,弄得非常厚实。因为在水结冰所形成的规则六边形结构中,矿物质或盐粒等杂质会破坏结构的稳定性,从而在冰面上产生薄弱点,对快速滑行中的运动员造成影响,毕竟速滑比赛,毫秒之差就是一个名次。
其他的如花样滑冰运动员喜欢温度更低(﹣4℃)的冰面,可以增加抓地力和控制力;曲棍球运动员则偏向于更硬的冰面。
而对于科学家来说,这个特性是他们弄清楚冰面为什么很滑的重要线索。
1850年,科学家詹姆斯·汤姆森就曾对“滑滑的冰”进行过科学的解释,他认为冰的密度既然小于水,那么在高压下,压力会导致水分子之间的氢键断裂,使表面的冰融化成水,从而让冰具备一定的滑动性。
当汤姆森将他的猜想进行检验时,通过施加更大的压力确实降低了冰的熔点,但问题是,如果是一个普通的(68公斤)滑冰运动员,他只能将冰的熔点从0℃降低到-0.016℃,而一般的滑冰场温度通常维持在-3℃~-5℃左右,简而言之:滑冰者无法对冰面施加足够的压力来融化冰面。
另外,压不压力的其实不关键,因为就算是硬币、瓶盖之类的小物件,放在冰面上也会滑动,而这些物品显然不会产生明显的压力变化。因此压力假说很难解释“冰面为什么是滑的”。
除了压力作用,摩擦生热似乎是一个更直观的解释,当运动员在滑道上飞速滑行时,滑冰鞋在冰面上滑动的摩擦力将其动能转化为热能,使冰面融化成水。
但显而易见的是,就算人们站着不动,依然有可能会在冰面上滑倒,所以加州大学伯克利分校的理论化学教授戴维•利默认为摩擦只能算一个“二级影响”,它能帮助人们在冰面上滑得更快,却不能解释冰面上为什么原本就很滑。
不过细心的同学应该也注意到了,上述两种假设其实都有一个共同点:冰面上得有水才能变得更滑。
所以物理学家迈克尔·法拉第又提出了第三种假说:冰面上原本就有水。为此他还进行了一个非常简单易懂的实验,把两个冰块同时放在冰箱中,然后将它们叠放在一起,几个小时后再取出来发现,两个冰块已经紧紧粘连在一起。
因此他认为在冰块表面应该存在着液体层,当表面的液体相遇后,就会发生冻结。可惜受限于当时的科学条件,法拉第不能从分子层面上验证他的假设。
不过许多研究人员都认同了这一假说。1987年,科学家借助X射线成像技术观察到了﹣1℃下冰表面的液体层,厚度在1~94nm之间不等,差不多只有单个细菌的千分之一宽。
下方是规则连接的水分子,上方是‘摸不着北’的水分子
而液体层形成原因是因为冰的形成过程很奇葩,这些水分子就像是在玩“抱团游戏”,位于内部的水分子可以通过氢键与其他水分子抱团形成稳定的晶体结构,但对于表面的水分子来说,它们周围缺少水分子,那就只好对着空气求抱抱了,所以也没法形成稳定的结构,只能杂乱无章地游离在表面,最终使冰块变得滑溜溜的。
当然,很多人并不喜欢“很滑”的冰面,因此科学家进一步对液体层展开了研究,他们发现当温度在0~﹣5℃左右,液体层大约有5层水分子厚,然而当温度低至-38℃后,就只剩下大约一个水分子厚的液体层了。
也就是说,温度越低,人们越难在冰面上滑动。(不知道有没有东北的朋友站出来说说是不是这个理儿)
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