人民号首页,人民号缩略图,人民号logo 人民号首页,人民号缩略图,人民号logo 人民号首页,人民号缩略图,人民号logo 人民号首页,人民号缩略图,人民号logo

什刹海冰场终于开放了!如何利用物理知识让我成为冰场上最靓的仔?

北京科学中心

|

2021-01-12 18:10:55

审核专家:李永乐

中国人民大学附属中学教师

知名科普博主

冬天,去什刹海滑冰是很多老北京人的童年回忆。最近温度下降,眼瞅着什刹海就冻瓷实了。1月9日,什刹海冰场终于正式开放了,我们的快乐又回来了!

滑冰作为北京冬天的“传统项目”,每年冬天都能吸引一大群小伙伴。但你有没有想过,为什么冰面会那么滑呢?

来源 | ZOL论坛

来源 | ZOL论坛

问起冰为什么那么滑,可能有些小伙伴会脱口而出:因为冰面足够光滑呗!

对于这样的冰面:

来源 | 某俱乐部宣传页面

来源 | 某俱乐部宣传页面

这样的冰面:

来源 | 长城网

来源 | 长城网

或是这样的冰面:

来源 | 某俱乐部宣传页面

来源 | 某俱乐部宣传页面

这个解释或许有几分道理。

但真正去过什刹海滑过冰的小伙伴一定知道,我们遇到的冰面往往是这样的:

来源 | Pixabay

来源 | Pixabay

如此粗糙的冰面可能无法展现你高超的技术,但还是能滑起来的,只要稍不留神,这样的冰面足以让你摔上一跤。

不必说专业的室外冰场,就算是冬天路边一滩积水结成的碎冰碴子,也能瞬间把你放倒。

东北人出门的日常 来源 | 网络

东北人出门的日常 来源 | 网络

另外一个例子也能证明这样的解释是不合理的。

酒店里洁净的大理石地板要比天然冰面光滑得多,但至少你可以穿着鞋在上面正常地行走,不会像在冰面上那样寸步难行。

来源 | 新浪

来源 | 新浪

那么,到底是什么让冰面如此地光滑呢?我们还是回到大理石地板上。

我们都知道刚用湿拖把擦过的地面是要比干燥地面滑得多。其实,要想让物体变滑只需要薄薄的一层润滑剂,它可以是水、蜡、矿物油、细小的砂粒、石墨粉以及各种各样的油脂……

沙狐球靠一层细沙润滑 来源 | 某厂商宣

沙狐球靠一层细沙润滑 来源 | 某厂商宣

具有流动性或可以在表面滚动的润滑剂可以大大降低物体间的摩擦,相比于一味地把表面打磨光滑,使用润滑剂是一种高效且效果拔群的方法。

那么冰表面有润滑剂吗?

想必你已经想到了,冰表面自带的纯天然润滑剂就是水啊!

按照这个说法,当你站在冰面上时,你的脚与冰之间并不是直接接触的,而是隔着一层具有流动性的水膜

来源 | 搜狐

来源 | 搜狐

讲到这里,冰面为什么滑的问题似乎已经解释完了。但细心的小伙伴一定已经意识到,仍有一个疑问还没有被解决——冰表面的水是从哪儿来的?

大家都知道,冰在0℃时才会熔化(熔化是指物质由固态转变为液态的过程,其中冰的熔化也可写作“融化”)。在北京室外温度可达到零下五六度,前些天甚至达到了零下十多度,这个温度显然是不足以让冰表面熔化的,按理说应该一直维持固体状态才对。

其实,“冰在0℃时会熔化”并不是一句准确的描述,讲这句话时我们忽略了一个重要的因素——压强。在一个标准大气压下,冰的熔点为0℃。

早在1850年,James Thomson就发现增加压强会使冰的熔点降低,他的弟弟William Thomson,也就是大名鼎鼎的开尔文勋爵用实验证实了这个结论。

从左到右分别是James Thomson(父亲)

从左到右分别是James Thomson(父亲)

也许你会质疑他们提出的理论,增加压强不是更倾向于将物体压缩在一起吗?难道不应该有利于液体凝结成固体吗,怎么反过来了?

有一个最违背常理的事实就在我们眼皮底下——冰是浮在水面之上而不是沉在水底的!这也是我们能在冬天滑冰的前提。

浮冰 来源 | 太平洋摄影

浮冰 来源 | 太平洋摄影

大多数液体凝结成固体后体积会减小,偏偏水在结冰时体积会增大。这种反膨胀现象使得相同质量的冰与水相比体积更大,这意味着冰的密度比水小,因此冰能浮在水面上。

同时,这种反膨胀的特性也意味着当你用力压一块冰时,它会倾向于熔化成水。

如果你严格控制温度,仔细测量数据,就能得到汤姆森兄弟发现的规律——大压强可以降低冰的熔点。

不过这两兄弟并没有用他们的理论来解释滑冰这项运动,第一个把这个规律和滑冰联系起来的人是John Joly。

他认为人的体重施加在冰面时,产生的压强会使冰的熔点低于0℃,让冰的表面熔化,形成一层有润滑作用的水膜,使得冰十分地滑。如果穿上有薄薄冰刀的滑冰鞋,那么施加在冰上的压强将更大,熔点下降更多。

据John Joly当年的计算,穿着冰鞋的成年人会对冰表面施加四百多倍标准大气压的压强,能使冰的熔点降到-3.5℃。

来源 | Getty Images

来源 | Getty Images

问题似乎被完美地解决了,但总有一些不对劲的地方。入冬后,东北的气温能达到零下几十度,按照Joly的理论,东北的冰面应该并不能让人滑倒,也很难滑冰,然而事实并不是这样,在冰面上“滑刺溜”是东北日常且“传统”的一项活动。

东北人:Joly发现的规律在我们这嘎嗒不

东北人:Joly发现的规律在我们这嘎嗒不

且不说东北,根据经验,花样滑冰冰面的最佳温度约-5.5℃,且花样滑冰的冰刀很厚,绝大多数情况下运动员也是身轻如燕,Joly的理论完全无法对其进行解释。

羽生结弦:在我这也不好使 来源 | 百度

羽生结弦:在我这也不好使 来源 | 百度

更尴尬的是,Joly将冰刀与冰面的接触面积估计为0.02平方英寸。

但事实上冰刀是很厚的,接触面积要远大于这个数,这意味着冰面被施加的压强可能远不足以让熔点下降如此多。《纽约时报》的肯尼斯·张估计,一个70公斤的人站在冰刀上,只能让冰的熔点降低到-0.017°C

1939年,Frank Bowden和T.P. Hughes提出,鞋底或冰刀与冰面之间摩擦产生的热量会促使冰表面熔化,形成一层水。

经反复实验,他们认为相比于压强,摩擦是使冰表面熔化的主要因素。为了得到这个结论,他们甚至将实验地点设在了海拔3346米的冰冷山洞中,还动用了干冰、液化气体等制冷技术。

然而,Frank Bowden与T.P. Hughes的解释并没有让人满意。且不说摩擦产生的热量有多少能用在使冰熔化上而不是传导到外界,这个理论依然无法解释为什么人站在冰面一动不动依然时刻面临着滑倒的风险,冰面为什么滑仍是未解之谜。

狗:我没动,是冰先动的手 来源 | 微博

狗:我没动,是冰先动的手 来源 | 微博

这时一个念头在人们脑海中萌生——即便温度已在熔点之下,会不会冰的表面本身就存在着一层“水”呢?

20世纪中期,随着固体物理与材料科学的进展,以及在材料探测手段上的丰富,人们发现在冰的表面天然地具有一层介乎于水与冰之间,具有流动性的表面态物质。

它并不是表面的冰熔化后形成的水,即便低于熔点,这层物质也能存在,一些学者将其称为“准液体层”。它的厚度和温度有关,温度低于熔点越多,这一层准液体就越薄。

1987年,科学家利用X射线衍射“看到了”冰表面的微观结构,证实了冰表面确实存在着一层准液体。

进入21世纪,科学家们用非线性光学的方法进一步研究了冰表面准液体的结构与性质。还有一些研究团队用分子动力学方法拿计算机模拟了冰表面水分子排列的方式,甚至模拟出了水分子如何在冰表面“丝滑地跑来跑去”。

冰表面的结构模型 来源 | J.Chem.Phys.

冰表面的结构模型 来源 | J.Chem.Phys.

分子动力学模拟表面水分子的运动 来源

分子动力学模拟表面水分子的运动 来源

但丝滑等于润滑吗?我们生活中常见的润滑剂通常是油状的、膏状的,很少看见像水一样质感的。润滑油不仅要有很好的流动性,通常还要有一定的弹性和粘度。

去年,发表于《自然》的一项研究中,科学家们用一个类似音叉的装置和毫米级的玻璃珠巧妙地测量了这层准液体的力学特性。音叉振动带动小玻璃珠在冰面滑移,加速计则捕捉到这个过程中玻璃珠运动状态。

来源 | Nature

来源 | Nature

实验发现这层准液体可以看作水和微小碎冰的混合物,它的粘性比水大得多,如同油一般,同时也具有接近固态冰的弹性。合适的粘性与弹性使得冰表面的准液体甚至比水的润滑效果还好,这也解释了为什么冰面比泼上水的光滑地板更滑。

就此“冰为什么滑”这个问题有了较完整的解释。

这么说小伙伴们是不是也想在什刹海的冰面上大显身手了呢?别急!在你摔倒前,我们先看看冰鞋的原理。

首先,正如前面所说,虽然这个效应也是影响因素之一,但冰鞋设计成薄薄的刀状并不只是为了增大压强促使水熔化

冰刀的设计主要是为了让摩擦力在不同方向上有着巨大的差异——顺着冰刀方向滑行很容易,但是垂直于冰刀滑行几乎不可能。

来源 | 自制,素材来自汇图网

来源 | 自制,素材来自汇图网

滑冰时,你只需一只脚稍侧并蹬地,让侧过来的冰刀提供足够大的静摩擦,另一只脚的冰刀顺着滑行方向,保证摩擦力最小,这样你就在静摩擦的驱动下在冰面上滑起来了。

来源 | 自制,素材来自汇图网

来源 | 自制,素材来自汇图网

还有一些小伙伴注意到有些人滑冰时不用抬脚,双脚画个圈圈就向前动了起来。其实原理是一样的,一只脚的冰刀依然顺着前进方向,是摩擦最小,另一只脚画圈时暗暗向后发力,提供足够的静摩擦,最终静摩擦使你向前移动。

来源 | 自制,素材来自汇图网

来源 | 自制,素材来自汇图网

还有一种冰鞋专门用于冰壶场地,这类鞋左右脚的鞋底采用了不同的材质,与冰面之间的最大静摩擦力也不同。冰壶用运动员只用更不易滑动的鞋蹬地,提供静摩擦,而另一只鞋仅贴着冰面滑行。

注意冰壶运动员只用一只脚蹬地 来源 |

注意冰壶运动员只用一只脚蹬地 来源 |

好啦,了解了这么多关于冰和冰鞋的小知识,你是不是已经按捺不住要一展身姿了呢?

最后,提醒大家,一定在正规冰场滑冰,同时戴好必要的护具,注意安全!

特别声明:本文为人民日报新媒体平台“人民号”作者上传并发布,仅代表作者观点。人民日报提供信息发布平台。

写下你的评论

热门评论
{{item.app_user_name}} {{item.news_timestamp}} {{item.like_num}} 赞

{{item.content}}

最新评论
{{item.app_user_name}} {{item.news_timestamp}} {{item.like_num}} 赞
{{++index}}
{{cell.app_user_name}} {{cell.news_timestamp}} {{cell.like_num}} 赞

{{cell.content}}

{{item.content}}

已加载全部内容
相关推荐

实时热点