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冰为什么这么滑


http://www.sina.com.cn 2006年02月25日 14:50 大洋网-广州日报

  本报综合报道 在激烈的都灵冬奥会冰上比赛当中,运动员滑倒的现象很多。对很多人来说,冰面上非常“滑”是常识,但冰面为什么那么滑呢?传

  统的解释是,压力或者摩擦力让冰面表层产生一层水,这层水起到润滑作用;但最新的解释是,当温度在-22℃以上时,冰的表面上始终有薄薄的一层永远不会凝固的水,这是冰的特

  性,与外力无关。美国《纽约时报》报道说,“冰为什么这么滑?”这个问题看似简单,但事实上,全世界的物理学家至今仍在探求真正的答案。

  关于冰的秘密还有很多。你有没有想过,曾经让你滑倒的冰,竟然还有着12种形态。科学家们推测,这些不同形态的冰,有些可能存在于地球内部高温的世界里,有些可能存在于遥远的冥王星表面。科学家们还预测,在将来,可能会发现更多种冰的形态。文字:彭玉磊

  本报综合报道 冰是一种固体,但是却与混凝土、木头、玻璃等其他固体不一样:人们用薄金属片在固体表面刮过时,都会响起刺耳的声音,并且感受到明显的摩擦力,可是冰面却很滑,摩擦力很小。

  美国威斯康星州劳伦斯大学的化学荣誉退休教授罗伯特·M·罗森伯格在《今日物理学》2005年12月刊中,专门讨论了一个多世纪以来人类对冰的平滑特性的研究。他说:“冰是一种非常神秘的固体。”

  传统解释:压力或摩擦力

  众所周知,冰不一定要在温度达到0℃(在标准大气压下,冰的熔点为0℃)时才会融化,在被加压的情况下,冰在0℃以下也能融化。

  根据这种理论,科学界多年前就曾回答过“冰为什么这么滑?”这个问题:冰刀或鞋底的压力使冰的熔点下降,促使冰融化而在冰刀或鞋底与冰面之间形成一薄水层,这层水起到了润滑作用。

  但是,实际计算结果表明,当一个重70千克的人穿着冰鞋站在冰上时,只能对冰产生大约3.5千克/平方厘米的压力,这样的压力对于冰熔点的影响非常小,只能让熔点下降了不到0.1℃。

  于是科学家又认为冰鞋刀刃与冰面之间的这层水是由于刀刃在冰面上滑行时,摩擦做功的热量使冰融化所致。这一解释看起来毫无漏洞,因此多年来竟再没有人仔细地验证其真伪,而教科书上面引用的也都是这种理论。

  新解:冰上有水

  但是,也有不少科学家对以上理论持怀疑态度,于是,另一种听起来非常简单的解释出现了———冰的表面原本就非常平滑,因为当温度在-22℃以上时,冰的表面上始终有薄薄的一层永远不会凝固的水。

  早在1850年,英国著名的物理学家迈克尔·法拉第就曾简单地提出这种理论。1996年,美国科学家的试验又证明了这点。劳伦斯柏克利实验室的化学家萨姆和物理学家胡佛利用电子束轰击冰面,同时使用仪器记录了从冰面弹回的电子的运动方向和速度。出乎意料的是,电子撞击到冰面后弹回的轨道似乎是变化不定的,沿多个方向散乱地反弹开来。这说明,看起来平滑的冰面并非是完全平整的。

  萨姆认为,从实验结果看,冰之所以滑的原因只可能是一个,即冰面的最上层并没有真正冷凝,而是有薄薄的一层水。这层水起着永久性润滑剂的作用。当鞋底等物体压到冰面时,水分子就会被压到冰面的细微缝隙中,从而使冰的表面非常平滑。这样,冰面的摩擦力更小,所以就很滑了。

  这两位科学家还发现,当温度降到-22℃以下时,冰面的平滑性能开始大大下降。这是因为:在这样的温度条件下,具有润滑功能的薄水层几乎消失,冰面的平滑性也就显著降低,其平滑性和其他固体没有什么不同了。萨姆教授表示,冰面最上层有永久的薄水层,这是冰的特性。他认为,即使摩擦力没有做功产生热量,冰面也依旧是滑的。

  到别的星球寻找不同形态的冰

  本报综合报道 我们能够经常接触到的冰,还有很多不为人知的特性。事实上,我们日常所见的冰只是固态水12种结晶形态之一。在低温或者高压的情况下,液态水还会结成其他不同形态的晶体。

  我们日常所见的冰被科学家称为冰Ⅰ-h,h代表六角形,意思是许多水分子会聚成六角形的冰晶,这也是为什么雪花呈六角形的原因。

  冰晶的晶体结构相当松散,这也是为何冰Ⅰ-h的密度比水还低的原因。在高压下,组成冰的水分子们原本的六角形结构会被破坏,然后重新组合成其他种更紧凑、密度更大的晶体。按

罗马数字排序,科学家称之为冰Ⅱ、冰Ⅲ、冰Ⅳ等。

  在每平方米146吨的重压下,冰Ⅰ-h就会变成冰Ⅱ。冰II是人工制造出来的晶体,不存在于地球上的自然界。不过,研究行星的专家却认为,冰Ⅱ以及其他一些冰的形态,可能会存在于太阳系的边疆地带,例如木星的卫星木卫三和木卫四。

  此外,在地下160公里处也可能有冰块。在这个深度,每平方米的压强高达3400吨。这样大的压强可以将液态水变为冰,形成冰Ⅶ。不过,由于压力的原因,这里冰块的温度可能高达150~200℃。

  当温度达到-165℃时,就形成了冰Ⅺ。目前天文学家已经着手从冥王星、海王星和天王星的卫星上面去寻找冰Ⅺ。

  据报道,最新发现的冰形态———冰XII是在10年前。发现者之一、英国伦敦大学的约翰·芬尼教授表示,了解冰的所有形态非常重要,这有助于人们了解水分子的工作模式,从而进一步研究水分子与生物体体内的有机分子的结合过程。

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