冰怎么会这么滑？带加速度传感器的力测量仪告诉你

　　150多年来，有这样一个问题一直困扰着所有物理学家，那就是：冰为什么这么滑？为解答这个问题，研究人员研发了一种新的力测量仪，他们借助了一个类似于音叉的实验装置，在音叉上还附有一个加速度传感器，用于测量玻璃珠在水平和垂直方向上的振荡振幅，从而计算出玻璃珠和冰之间的摩擦系数。一起来看看吧。

带有音叉、加速度传感器的力测量仪结构示意图，资料图

　　冰为什么这么滑？一个被普遍接受的观点认为，冰之所以滑是因为在冰的表面形成了一层液态水，这层液态水可以起到润滑作用。根据这种说法，这意味着当我们在冰场上滑冰时，滑冰鞋和冰之间会形成一层融水薄膜。

　　然而，这仅仅是一种假设，这层融水薄膜是否真的存在，一直是人们争论的话题。而且即使真的有这样一层融水，仍有很多问题是我们不知道的，比如这层融水薄膜是怎么形成的？是因为冰表面的熔化，还是冰与滑冰鞋的摩擦生热，亦或是因为压力引起的融化导致的？

　　有很多问题的答案都是未知的。再比如，这层融水薄膜的厚度会是多少？它有着怎样的性质？要知道一种液体润滑与否主要取决于它从两个摩擦表面之间的间隙中被挤出时所遭遇的阻力大小。液态水并不是一种好的润滑剂，它的粘度很低，很容易就从间隙中被挤出。因此如果这是一层液态水薄膜，它应该不足以在滑冰鞋与冰之间起到润滑作用，因此这层界面是如何做到减少摩擦，使冰变得更滑溜的呢？

　　在最近发表的一项研究中，物理学家通过设计一种新的测量力的仪器，发现确实存在这样一层物质，但它不仅是一层简单的水，它介于液态水和冰之间的状态，具有有别于我们平时接触到的水的流动属性。

　　为解答这个问题，研究人员设计了一个巧妙实验，他们研发了一种新的力测量仪，帮助他们从微观角度探讨了冰为什么滑，让他们对冰的摩擦系数，以及中间的润滑层的属性进行了测量。

　　在设计这套力仪器时，他们借助了一个类似于音叉的实验装置，并在音叉上连接了毫米大小的玻璃珠，玻璃珠会像一个小的冰刀一样，以几十微米的距离尺度在同一区域的冰面上滑行。音叉是用来振动的，在音叉上还附有一个加速度传感器，用于测量玻璃珠在水平和垂直方向上的振荡振幅，从而计算出玻璃珠和冰之间的摩擦系数。

只有几百纳米到一微米厚的水和冰的混合物，资料图

　　这种方法为研究冰摩擦的起源打开了一扇新的窗口，尽管仪器只有几厘米大，但它的灵敏度足以在纳米尺度上研究中间的润滑层的摩擦特性。

　　他们发现，这层液体薄膜比预期的要小得多，只有几百纳米到一微米厚，或者说只有一根头发的百分之一厚。而且更出乎意料的是，这层润滑层远非一层简单的水，它像油一样粘稠，既具有粘性，也具有弹性。这不仅不同于普通水的行为，也不同于冰的行为，表明表面的冰并没有完全转变成液态水，而是以一种冰水和碎冰的形式混合存在。

　　研究人员认为，这样一层具有粘弹性的薄膜界面便是冰为何如此滑的奥秘所在。他们推测，在同一地点反复滑动就会产生这种水和冰的混合物，它在荷载的作用下能既表现出弹性（来自冰），也表现出粘性（来自水），所以它比普通的水更难从间隙中被挤出来。这在一定程度上可以解释这层界面为何会有如此优异的润滑性能。

　　这项研究还解释了为何滑冰会有如此特殊的润滑现象。他们发现，润滑摩擦和伴随而来的磨损常常导致在两个摩擦物体之间形成一层不同的材料，我们可以称这种材料为第三物体。这种第三物体的形成过程，依赖于两个摩擦物体的表面受磨损的方式，甚至通常与摩擦所引发的化学反应有关，因此第三个物体的形成在很大程度上是系统特有的。换句话说，很少有其他材料能在摩擦和磨损下形成具有粘弹性的液-固态第三物体。

　　这一发现使得物理学家急需对现有的描述冰摩擦的理论框架进行彻底修改。当然，一些有趣的问题依然存在，例如这种现象在崭新的冰上的形成速度是否快到能够在接触时就立马其到润滑作用？这层界面的存在如何解释滑冰场的最佳温度是-7℃？研究人员希望，新的理论能更好地帮助理解一些冬季运动项目中的冰上滑动现象，以及为一些需要处理摩擦问题的应用提供有用的解决方案。

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