冰為什麼那麼滑？這個問題曾困擾科學家多年，答案有點意外

北京2022冬奧會無疑將人們對冰雪運動的熱情推入新高度，看冰雪健兒弛聘賽場可謂是一種享受，可這一切的基礎都離不開光滑的冰面。

大家想過這個問題沒有，冰為什麼那麼滑？為何人在冰面上容易滑倒，僅僅只是冰面的低摩擦力？科學家必須要用物理和化學的知識來解釋這個問題，而這個看起來再普通不過的現象卻困擾了科學家多年。

冰是什麼

相對宇宙中的絕大多數物質來說，在固態時比液態時密度要高，當某種物質冷卻到足以形成固態時，它的分子就會更緊密地結合在一起，比如生活常見的鐵、鋁等金屬。

而冰卻是另類，大家都知道

冰是水在0℃或0℃以下凝結成的固體，在水凝結成冰時

水分子同樣也會凍結成固體，

但是將它們連線在一起的特殊氫鍵會迫使水分子之間增加空間，因此固態冰比液態水密度低，這也冰漂浮在水中的原因。

左：稠密雜亂的液態水分子 右：有序而分散的冰分子

根據我們的生活經驗得知讓物體變滑，無非就是增加油、蠟等各種潤滑劑來降低物體間的摩擦，可固體的冰面上有啥讓冰能這麼滑？

科學家為了尋找冰為何那麼滑這個問題的答案提出過一系列假設，最終在假設中找到了答案。

假設一：壓力融化冰

在19世紀50年代科學家詹姆斯·湯普森提出了一個數學模型，描述了一種冰非常奇怪的性質，在高壓下冰會變成水，皆因固態冰的密度比水小，若用力擠壓冰，它就會變得不穩定並融化成水。

當時人們認為這就是溜冰鞋的工作原理：溜冰鞋下薄薄的刀刃施加的壓力足以融化冰的表面

形成一層具有潤滑作用的水膜，

以減少摩擦並允許滑行，當刀刃穿過後冰面會再次凍結。

後來的科學家經過試驗發現這個假設並不現實，

比如體重68公斤的人站在刀刃上，只會將冰的熔點降低0。02攝氏度左右

，再說壓力融化冰並不是一瞬間就能實現的，因此滑冰運動員的壓力並不能融化冰，隨後便有了另一種假設。

假設二：摩擦融化冰

大家都知道物體相互摩擦會產生熱量，後來有人提出是溜冰鞋的刀刃與冰面摩擦產生熱量融化了冰產生水膜，但這個答案並不能解釋冰剛開始就那麼滑。

在冬天大多數人們都有過行走冰面的經歷，滑倒是件很隨意的事，這根本沒有足夠的時間來產生需要融化冰的摩擦力，最多摩擦也只是一個二級效應。

新的假說便出現了：冰的表面會不會本身就存在一層水膜？

假設三：冰上有稀薄的液態水層

當我們從冰箱取出兩塊冰塊，隨意將它們的任何部分加熱到熔點之前，迅速把它們疊在一起，過段時間你會發現它們已經牢牢粘在一起了，

因此物理學家法拉第猜測，冰塊之所以粘在一起，是因為它們周圍有一層液體，當這些液體相遇時，它們就會凍結在一起，並且這種非常薄的液體層也使冰變得格外光滑。

但當時無法證明該猜測，直到1987年科學家用X射線成像證實了這個“準液態”層的存在，液態層非常薄，在零下1攝氏度時，它的厚度在1奈米至94奈米之間，大約比細菌還要小小1000倍。

最近，科學家們用極其靈敏的顯微鏡觀察到了液體的表面。

當水被凍結時，單個水分子透過氫鍵相互吸引，彼此保持在晶體結構中。但表面上的分子可以附著的其他分子較少，這使得它們變得更無組織性，只能雜亂無序地“遊蕩”在冰表面，最終使冰變得很滑。

隨著研究的進一步深入，最終科學家發現這層液體它像油脂一樣黏稠

具有黏

彈性，並非簡單的水，而是水和微小碎冰的混合物。

看似相當普通且簡單的問題卻困擾科學家多年，答案是不是有點意外？

冰面之所以能夠那麼滑，正是因為有液體層作為天然潤滑劑，當我們進行冰上活動時，實際上是站在冰最上面一層具有流動性的水膜上，並且水膜中的微小碎冰還充當了滾動軸承的作用。

有這些因素存在，我們在冰上摔跤自然也在情理之中！

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