我們(men) 經常在一些視頻中看見行人在冬天的冰麵上艱難行走時的各種花樣跌倒畫麵。在冰上行走的艱難——一個(ge) “滑”字不足形容。其實，在冰麵上滑行的難易程度取決(jue) 於(yu) 許多因素。

　　長期以來，一個(ge) 被普遍接受的觀點認為(wei) ，冰之所以這麽(me) 滑是因為(wei) 冰麵與(yu) 滑動物體(ti) 之間形成了一層能起到潤滑作用的液態水。這一觀點直到2019年才由一隊物理學家證實。當時，一篇發表於(yu) 《物理評論X》雜誌的研究表明，冰麵與(yu) 滑動物體(ti) 之間的確存在一層介於(yu) 液態水和冰之間的狀態的物質，這層物質的厚度非常薄，擁有極其優(you) 異的潤滑性能。

　　然而到這裏，困擾物理學家百餘(yu) 年的難題——“冰為(wei) 什麽(me) 這麽(me) 滑”，仍然未得到徹底的解決(jue) 。在通過研究冰麵上的液體(ti) 薄膜厚度，研究人員發現了摩擦力隨溫度變化的規律。在低至-100℃左右的溫度下，摩擦力非常大，這可以解釋為(wei) 在這種低溫下幾乎不存在熔化現象，因此冰的表麵非常幹燥；當冰溫度上升到-20℃左右時，液體(ti) 層開始出現在冰麵之上，薄薄的液體(ti) 層起到了潤滑作用，導致摩擦變小。

　　然而奇怪的是，當冰麵的溫度繼續升高到0℃左右時，摩擦力再次增大。而這一點，物理學家無法通過具有潤滑性能的薄膜來作出清晰解釋。雖然有研究提出，這時摩擦力的增加是由於(yu) 水膜厚度增加所引起的，但這種說法並沒有得到實驗觀測的證實。

　　現在，阿姆斯特丹大學的物理學家Rinse Liefferink和他的同事通過一係列實驗，測量了物體(ti) 在冰上滑動時的摩擦力，以及冰在各種不同情況下的硬度，進一步揭示了與(yu) 這一古老迷思有關(guan) 的奧秘。他們(men) 將研究結果新發表在了近期的《物理評論X》上。

　　在通常情況下，研究冰的摩擦的實驗會(hui) 在一個(ge) 小型的流變儀(yi) 上進行。流變儀(yi) 有著一個(ge) 探針，探針與(yu) 冰麵接觸，當滑動時探針會(hui) 旋轉。在新研究中，物理學家采用了三種不同形狀的滑動探針，分別為(wei) 一個(ge) 半徑為(wei) 6毫米的大球、一個(ge) 半徑為(wei) 0.75毫米的小球，以及一個(ge) 寬5毫米一個(ge) 冰刀 。他們(men) 測量了這三個(ge) 不同的形狀在滑動時的摩擦力。在實驗過程中，研究人員會(hui) 反複向冰麵增添一層新的水，以此來維持冰麵的光滑。冰的溫度被控製在-120℃到-1.5℃之間。

在實驗中，流變儀(yi) 上采用的三種不同形狀的探針：大球、小球、冰刀。| 圖片參考來源：APS/Alan Stonebraker

　　此外，他們(men) 還利用一個(ge) 球形的探針來測量冰的硬度，冰的硬度值是由探針壓入冰表麵時所需施加的力所給出的。

　　測量結果表明，冰的硬度會(hui) 隨溫度以及滑動速度變化。在溫度較低時，冰的硬度更大；但在相同溫度下，冰的硬度會(hui) 隨著更快的壓入和更快的滑動增加。硬度的這種變化可以幫助解釋摩擦的變化，當溫度最低時，巨大的滑動摩擦可歸因於(yu) 水分子被牢牢地鎖在了冰的表麵，而這些分子的流動性會(hui) 因為(wei) 滑塊的剪切作用而變得更強。在中等溫度下，這些分子的流動性會(hui) 表現得更強，因此摩擦力更低。當溫度持續升高到熔點附近時，冰的硬度下降，導致一旦滑動物體(ti) 能夠穿透較軟的冰麵，就會(hui) 產(chan) 生高摩擦的“犁皺”（硬的顆粒使較軟表麵塑性變形而形成犁痕式的破壞）行為(wei) 。

 圖中顯示了冰的摩擦力如何隨著溫度變化。| 圖片參考來源：APS/Alan Stonebraker

　　研究發現，對於(yu) 不同形狀的探針，“犁皺”現象會(hui) 開始於(yu) 不同的溫度。當壓力恒定時，小球形狀的探針會(hui) 在-20℃時表現出犁皺現象；但有著更大的接觸麵積的滑板則會(hui) 在-8℃時顯示出的犁皺現象。研究人員總結道，這種區別與(yu) 接觸壓力有關(guan) ，與(yu) 球體(ti) 相比，接觸麵積更大的滑板有著更小的接觸壓力，這不僅(jin) 延遲了犁皺的開始，並且還為(wei) 冰麵的水分子提供了更大的流動性，因此在更低的溫度下滑板也能更好地滑動。

當接觸壓力變得大於(yu) 冰的硬度時，滑塊開始犁入表麵，使得摩擦顯著增加。| 圖片參考來源：APS/Alan Stonebraker

　　摩擦力對接觸壓力的依賴取決(jue) 於(yu) 與(yu) 冰接觸的滑塊表麵積的大小，以及壓力是否已經大到足以啟動犁皺現象。從(cong) 實驗結果來看，冰的硬度隨滑動速度增加，也就是說，一個(ge) 快速滑動的滑板犁皺得越少，滑動得越好。

　　冰是一種平常而又神奇的存在，它的許多特性都讓科學家為(wei) 之著迷。比如現在我們(men) 已經知道，盡管在其熔點附近它的硬度會(hui) 有所下降，但其硬度仍然足以維持物體(ti) 在表麵上滑動，這是其他大多數材料在接近熔點時無法做到的，大多數材料在接近熔點時都會(hui) 因為(wei) 變得太過於(yu) 柔軟使得物體(ti) 物體(ti) 無法在其表麵滑動。

　　為(wei) 了揭開更多與(yu) 冰有關(guan) 的秘密，接下來，研究人員將考慮進一步探索冰的摩擦會(hui) 如何受到其他條件，如天氣、更快的滑動速度、冰的結構等因素影響。這種研究冰摩擦的新方法能夠為(wei) 提高冬季駕駛的安全性，以及讓提供一些冬季運動項目的表現上起到幫助。


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