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冰刀為何能在冰面上滑行?因為壓力使冰融化了?錯

科學信仰
原創(chuàng)
泛科學領域創(chuàng)作者??茖W是一種規(guī)律,信仰是一種態(tài)度。
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穿上冰刀鞋,我們可以在冰面上自由地滑行,那么冰刀為什么能夠在冰面上滑行呢?

有一種常見的說法認為冰刀之所以能夠在冰面上滑行,是因為冰刀因極小的接觸面積而產(chǎn)生了較大的壓力,所以導致冰面融化產(chǎn)生了水膜,這種說法被稱之為“壓力溶解說”,但實際上壓力溶解說是錯誤的?,F(xiàn)在我們先來思考一個問題,冰到底滑不滑?冰是什么呢?冰就是水的固體形態(tài),反過來水就是冰的液體形態(tài),所謂固態(tài)和液態(tài)在物理學上都被稱之為“物態(tài)”,同一物質的不同物態(tài)是可以相互轉化的,而物態(tài)的本質實際上就是分子的熱運動。任何物質都是由無數(shù)的分子或原子所組成的,而分子或原子的運動速度就決定了物質的物態(tài)。

溫度的本質即是運動的快慢,物體內(nèi)部的分子運動速度越快,其表現(xiàn)出來的溫度就越高,當溫度達到一定的高度,固態(tài)物質就會轉化為液態(tài)物質,由此可知同一物質的內(nèi)部分子運動,液態(tài)比固態(tài)更快。

物質內(nèi)部分子的運動速度越快,分子之間的間距就越大,所占空間也就越大,這就是熱脹冷縮的基本原理,所以大多數(shù)物質的固態(tài)形式密度都要高于液態(tài)形式的密度,比如將鐵塊放在鐵水中,它會沉下去。但冰與水是一個例外,我們都知道水在結冰之后,體積非但不會縮小,反而還會增大,這又是為什么呢?

水結冰之后體積之所以會增大,是因為冰是一種由四面體晶體結構所組成的物質,這種四面體的晶體結構是一種敞開式的開放式結構。

水結冰之后,水分子會聚合在一起形成一個巨大的締合分子,這種締合分子雖然排列有序,但空間利用率很低,所以冰的密度反而比水更小。舉個例子,比如一個小桶里能放100個玻璃球,但如果你把玻璃球以5個為一組粘合起來,這個桶就放不下100個了。我們?yōu)槭裁匆忉尡姆肿咏Y構呢?因為這樣我們就可以看出來,冰與其它的固態(tài)物質相比,并沒有明顯的低摩擦力傾向,事實上冰的摩擦力還要顯著大于玻璃,但我們就是感覺冰比玻璃滑多了。

穿上冰刀鞋,無論是在水泥地上、瓷磚上、還是玻璃上,都是無法滑行的,但在冰面上就可以,這到底是為什么呢?

顯然不是因為冰的摩擦力更低,而是因為在冰的表面還有著一層物質,一層“水膜”,就是它起到了潤滑的作用。那么這層水膜是如何產(chǎn)生的呢?很長時間以來,科學家們都試圖解開這一謎題,而最早出現(xiàn)的解釋就是“壓力溶解說”了。不同的物質擁有不同的融點,而物質的融點也并非一成不變的,它與壓力有著密切的關系,壓力越大,融點就越低。冰刀與冰面的接觸面積是很小的,而一般人的體重在100-200斤左右,這么高的體重全部施加在這一點點的面積上,所產(chǎn)生的壓力是比較大的,于是冰刀下面的冰就融化了,進而產(chǎn)生水膜起到了潤滑的作用。

壓力溶解說聽起來很是合理,但遺憾的是這并不正確。

雖然冰刀與冰面接觸的部分壓力很大,但在如此短的時間里想要使得冰面融化至少需要350斤的體重,一般人顯然是無法達到的。在壓力溶解說被否定之后,一種新的說法又被提了出來,那就是冰刀在冰面上滑行的時候會與冰面產(chǎn)生摩擦,而摩擦會產(chǎn)生熱量,就是這一點點熱量使得冰面融化產(chǎn)生了水膜。這聽起來也很有道理,但后來科學家們通過計算發(fā)現(xiàn),這也是錯誤的。如果這兩種說法都是錯誤的,水膜到底是如何產(chǎn)生的呢?

一種新的想法出現(xiàn)了,也許水膜并不是后來產(chǎn)生的,而是本就存在的。

著名的物理學家法拉第為了驗證這種想法,進行了一個實驗,就是將兩個冰塊一起放入冰箱冷凍,過一段時間,兩個冰塊就凍在了一起,這一實驗結果證明冰塊的表面一直都有水?,F(xiàn)在謎題解開了,冰面之所以滑,就是因為冰面始終有著一層水膜。然而一個新的謎題又出現(xiàn)了,為什么冰面會始終有著一層水膜呢?這才是真正難解的謎題,至今科學家們也未能得出確切的結論。雖然沒有確切的結論,但我們也可以從分子結構上作出一些猜想,在冰層的表面,分子結構的束縛力會不會更???分子的運動速度會不會更快?當然,猜想不能成為結論,最終還是需要實驗證據(jù)的支持。

評論
科普要發(fā)達
太師級
冰刀之所以能夠在冰面上滑行,是因為冰力極小的接觸面積而產(chǎn)生了較大的壓力。
2022-02-21
會游泳的魚-
貢生級
已閱
2023-11-05
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大學士級
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2022-03-31