为什么冰这么滑?
533字
2019-11-21 09:04
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火星译客

为什么冰是光滑的,这个问题的答案在于一层由摩擦产生的水膜,这种水膜比预期的薄得多,粘性也比平常的水大得多,因为它类似于我们在夏天喝的碎冰的“雪锥”。最近,CNRS和ENS-PSL的研究人员在École Polytechnology的支持下,于2019年11月4日在《Physical Review X》发表的一项研究中证明了这一现象。

冰的“光滑”性质通常归因于由摩擦产生的一层薄薄的液态水的形成,例如允许滑冰运动员在这个液膜上“冲浪”。这个薄薄的水层的性质从未被测量过:它的厚度在很大程度上仍然是未知的,而它的性质,甚至它的存在,都是争论的主题。更重要的是,由于液态水是已知的不好的润滑剂,这种液膜如何能减少摩擦并使冰变得光滑呢?

为了解决这一悖论,来自物理实验室(CNRS/ENS-PSL/索邦大学/巴黎大学)的研究人员与来自流体动力实验室(LadHyX,CNRS/École Polytechnology)的一个团队合作,开发了一种配备音叉的设备--类似于音乐中使用的音叉--可以在滑冰过程中以惊人的精度“听到”工作中的力。尽管仪器的尺寸只有几厘米,但它足够灵敏,可以在纳米尺度上探测冰并分析其摩擦特性。

多亏了他们独特的装置,科学家们第一次能够清楚地证明摩擦确实会产生液态水的薄膜。并且,这种薄膜还带来了许多惊喜:厚度只有几百纳米到一微米,或者说是一束头发的百分之一厚度,它比理论估计的要薄得多。更令人意想不到的是,这一薄膜根本不是“简单的水”,而是由与油一样粘稠的水组成,具有复杂的粘弹性特性。这种意想不到的表现说明,表面的冰并没有完全转化为液态水,而是最终以类似于“雪锥”的混合状态存在,即冰水和碎冰的混合。因此,在冰上滑动的奥秘可以在这种水膜的“粘性”性质中得以解释。

这些结果表明,需要对已提出的用于描述冰表面摩擦的理论进行彻底的修正。融水的不同寻常的性质是一个直到现在还没有被考虑到的关键因素。这将有助于更好地理解例如冬季运动中的冰面滑行现象,也将有助于提出增加摩擦力的创新解决方案,以避免在结冰的道路上打滑。

故事来源:

资料由CNRS提供。注:内容可能因版式和长度而进行编辑。

参考文献:

1. L. Canale, J. Comtet, A. Niguès, C. Cohen, C. Clanet, A. Siria, L. Bocquet. Nanorheology of Interfacial Water during Ice Gliding. Physical Review X, 2019; 9 (4) DOI: 10.1103/PhysRevX.9.041025

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