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冰刀为何能在冰面上滑行?因为压力使冰融化了?错

 黄袍怪 2022-02-16

穿上冰刀鞋,我们可以在冰面上自由地滑行,那么冰刀为什么能够在冰面上滑行呢?

有一种常见的说法认为冰刀之所以能够在冰面上滑行,是因为冰刀因极小的接触面积而产生了较大的压力,所以导致冰面融化产生了水膜,这种说法被称之为“压力溶解说”,但实际上压力溶解说是错误的。现在我们先来思考一个问题,冰到底滑不滑?冰是什么呢?冰就是水的固体形态,反过来水就是冰的液体形态,所谓固态和液态在物理学上都被称之为“物态”,同一物质的不同物态是可以相互转化的,而物态的本质实际上就是分子的热运动。任何物质都是由无数的分子或原子所组成的,而分子或原子的运动速度就决定了物质的物态。

温度的本质即是运动的快慢,物体内部的分子运动速度越快,其表现出来的温度就越高,当温度达到一定的高度,固态物质就会转化为液态物质,由此可知同一物质的内部分子运动,液态比固态更快。

物质内部分子的运动速度越快,分子之间的间距就越大,所占空间也就越大,这就是热胀冷缩的基本原理,所以大多数物质的固态形式密度都要高于液态形式的密度,比如将铁块放在铁水中,它会沉下去。但冰与水是一个例外,我们都知道水在结冰之后,体积非但不会缩小,反而还会增大,这又是为什么呢?

水结冰之后体积之所以会增大,是因为冰是一种由四面体晶体结构所组成的物质,这种四面体的晶体结构是一种敞开式的开放式结构。

水结冰之后,水分子会聚合在一起形成一个巨大的缔合分子,这种缔合分子虽然排列有序,但空间利用率很低,所以冰的密度反而比水更小。举个例子,比如一个小桶里能放100个玻璃球,但如果你把玻璃球以5个为一组粘合起来,这个桶就放不下100个了。我们为什么要解释冰的分子结构呢?因为这样我们就可以看出来,冰与其它的固态物质相比,并没有明显的低摩擦力倾向,事实上冰的摩擦力还要显著大于玻璃,但我们就是感觉冰比玻璃滑多了。

穿上冰刀鞋,无论是在水泥地上、瓷砖上、还是玻璃上,都是无法滑行的,但在冰面上就可以,这到底是为什么呢?

显然不是因为冰的摩擦力更低,而是因为在冰的表面还有着一层物质,一层“水膜”,就是它起到了润滑的作用。那么这层水膜是如何产生的呢?很长时间以来,科学家们都试图解开这一谜题,而最早出现的解释就是“压力溶解说”了。不同的物质拥有不同的融点,而物质的融点也并非一成不变的,它与压力有着密切的关系,压力越大,融点就越低。冰刀与冰面的接触面积是很小的,而一般人的体重在100-200斤左右,这么高的体重全部施加在这一点点的面积上,所产生的压力是比较大的,于是冰刀下面的冰就融化了,进而产生水膜起到了润滑的作用。

压力溶解说听起来很是合理,但遗憾的是这并不正确。

虽然冰刀与冰面接触的部分压力很大,但在如此短的时间里想要使得冰面融化至少需要350斤的体重,一般人显然是无法达到的。在压力溶解说被否定之后,一种新的说法又被提了出来,那就是冰刀在冰面上滑行的时候会与冰面产生摩擦,而摩擦会产生热量,就是这一点点热量使得冰面融化产生了水膜。这听起来也很有道理,但后来科学家们通过计算发现,这也是错误的。如果这两种说法都是错误的,水膜到底是如何产生的呢?

一种新的想法出现了,也许水膜并不是后来产生的,而是本就存在的。

著名的物理学家法拉第为了验证这种想法,进行了一个实验,就是将两个冰块一起放入冰箱冷冻,过一段时间,两个冰块就冻在了一起,这一实验结果证明冰块的表面一直都有水。现在谜题解开了,冰面之所以滑,就是因为冰面始终有着一层水膜。然而一个新的谜题又出现了,为什么冰面会始终有着一层水膜呢?这才是真正难解的谜题,至今科学家们也未能得出确切的结论。虽然没有确切的结论,但我们也可以从分子结构上作出一些猜想,在冰层的表面,分子结构的束缚力会不会更小?分子的运动速度会不会更快?当然,猜想不能成为结论,最终还是需要实验证据的支持。

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