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百年难题:冰为什么这么滑?

时间: 2021-02-25 10:30:57 作者: 来源:网络 点击:
  我们经常在一些视频中看到各种各样的行人冬天在冰上行走时摔倒的画面。在冰上行走的困难“滑”字还不足以形容。事实上,在冰上滑行有多容易取决于许多因素。物理学家近160年来一直在努力精确解释冰为什么如此滑,但这似乎仍然“几乎不可能”。
  长期以来,人们普遍认为冰之所以这么滑,是因为在冰面和滑动物体之间形成了一层液态水,可以起到润滑作用。这一观点直到2019年才得到物理学家团队的证实。当时发表在《物理评论x》杂志上的一项研究表明,在冰面和滑动物体之间的液态水和冰之间有一层物质,非常薄,具有极其优异的润滑性能。
  然而,困扰物理学家一百多年的“冰为什么这么滑”问题,至今仍未完全解决。通过研究冰上液膜的厚度,研究人员发现了摩擦力随温度变化的规律。当温度低到-100℃时,摩擦力很大,这可以解释为在这个低温下几乎没有融化现象,所以冰面非常干燥;当冰温上升到-20℃时,冰面上开始出现液体层,而薄液层起到润滑作用,产生的摩擦力较小。
  然而,奇怪的是,当冰面温度继续上升到0℃左右时,摩擦力又增加了。物理学家无法通过具有润滑性能的薄膜来解释这一点。虽然有研究认为摩擦系数的增加是由水膜厚度的增加引起的,但这一观点尚未得到实验观察的证实。
  现在,阿姆斯特丹大学的物理学家rinse liefferink和他的同事们进行了一系列实验,测量了在冰上滑动的物体在各种条件下的摩擦力和冰的硬度,进一步揭示了这个古老神话的奥秘。他们在最近的《物理评论X》上发表了他们的发现。在正常情况下,冰摩擦实验的研究将在小型流变仪上进行。流变仪有一个探针,它与冰接触并在冰滑动时旋转。在新的研究中,物理学家使用了三种不同形状的滑动探针:半径为6毫米的大球、半径为0.75毫米的小球和宽度为5毫米的溜冰鞋。他们测量了三种不同形状物体在滑动时的摩擦力。在实验过程中,研究人员反复向冰中添加一层新的水以保持冰的光滑。冰的温度控制在-120℃和-1.5℃之间。
 

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