在一些视频中，我们经常会看到各种冬天行人在冰面上艰难行走的摔倒画面 。在冰上行走的难度——一个“滑”字不足以形容 。事实上，在冰上滑行的难度取决于很多因素 。为了给“冰为什么这么滑”一个确切的解释，物理学家们为此奋斗了近160年，但似乎还是“差不多” 。
长期以来，人们普遍认为冰之所以这么滑，是因为冰面与滑动物体之间形成了一层可以润滑的液态水 。这个观点直到2019年才被一个物理学家团队证实 。当时发表在《物理评论X》杂志上的一项研究表明，在冰面和滑动物体之间，确实存在一层介于液态水和冰之间的物质 。这层物质的厚度很薄，具有极其优异的润滑性能 。
然而，在这里，困扰物理学家一百多年的谜题——“冰为什么这么滑”并没有完全解开 。通过研究冰面上的液膜厚度，研究人员发现了摩擦力随温度变化的规律 。在低至-100℃左右的温度下，摩擦力很大，可以解释为在这个低温下几乎没有融化现象，所以冰的表面很干燥；当冰温上升到-20℃左右时，冰面开始出现液层，薄液层起到润滑作用，摩擦力变小 。
然而奇怪的是，当冰面温度继续上升到0℃左右时，摩擦力又增加了 。然而，物理学家无法用具有润滑性能的薄膜来解释清楚这一点 。虽然有研究认为此时摩擦力的增加是由于水膜厚度的增加引起的，但这种说法并没有得到实验观察的证实 。
现在，阿姆斯特丹大学的物理学家Rinse Liefferink和他的同事们通过一系列实验测量了一个物体在冰上滑动的摩擦力和各种条件下冰的硬度，进一步揭示了与这个古老神话有关的奥秘 。他们在最近的《物理评论x》上发表了他们的研究成果 。
通常，研究冰的摩擦力的实验将在小型流变仪上进行 。流变仪有探头，接触冰面，滑动时旋转 。在新的研究中，物理学家使用了三种不同形状的滑动探针，即半径为6mm的大球、半径为0.75mm的小球和宽度为5mm的溜冰鞋 。他们测量了三种不同形状滑动时的摩擦力 。在实验过程中，研究人员将反复向冰面添加一层新的水，以保持其光滑 。冰的温度控制在-120℃到-1.5℃之间 。
实验中，流变仪上使用了三种不同形状的探针:大球、小球和冰刀 。|图片参考来源:APS/Alan Stonebraker
此外，他们还使用球形探针测量冰的硬度，冰的硬度值由探针压入冰面时所需的力给出 。
测量结果表明，冰的硬度会随着温度和滑动速度的变化而变化 。温度低的时候，冰的硬度更大；但在同样的温度下，冰的硬度会随着更快的按压和滑动而增加 。硬度的这种变化有助于解释摩擦力的变化 。温度最低时，巨大的滑动摩擦力可以归结为水分子被牢牢地锁定在冰面上，这些分子的流动性会因为滑块的剪切作用而变得更强 。在适中的温度下，这些分子的流动性会更强，所以摩擦力会更低 。当温度继续升高到接近熔点时，冰的硬度降低，一旦滑动物体可以穿透柔软的冰面，就会产生高摩擦的“犁皱”(硬颗粒使柔软的表面发生塑性变形，形成犁痕损伤) 。
这幅图显示了冰的摩擦力是如何随温度变化的 。|图片参考来源:APS/Alan Stonebraker
研究发现，对于不同形状的探针，“犁皱”将在不同的温度下开始 。当压力不变时，小球形状的探头在-20℃时会出现犁皱现象；而接触面积较大的滑板在-8℃会出现犁皱现象 。研究人员得出结论，这种差异与接触压力有关 。与球体相比，接触面积更大的滑板接触压力更小，不仅延缓了犁皱的开始，还为冰上的水分子提供了更大的流动性，因此滑板可以在更低的温度下更好地滑行 。
当接触压力变得大于冰的硬度时，滑块开始进入表面，导致摩擦力显著增加 。|图片参考来源:APS/Alan Stonebraker
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