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凹凸不平的冰面比平整的冰面更滑?那些年我们上过的假物理课! | 推广

2017-06-09 奇幻科学城 知识分子

图片来源:奇幻科学城


为什么冰是滑的?


我们都知道冰的摩擦系数并不高,这使得它不是那么“扎手”。可在生活中,影响一个物体光滑度的不单单是摩擦系数,表面的平整与否也有很大的关系。


相同材质的地砖,表面平整的要比不平整的更容易使人滑倒(滑倒而不是绊倒哦),这是因为凹凸不平的受力面会增大摩擦力。那么同样地,在冰面上好像也应该是这样,平整的冰面应该比凹凸不平的粗糙冰面更滑。


图片来源:奇幻科学城


但是,如果你曾经使用雪橇运载过货物,就会发现,拉着雪橇在凹凸不平的冰面上行进,要比在平整的冰面上省力得多。

粗糙的冰面比平整的冰面更滑?我的天呢!这么神奇吗?来源:奇幻科学城


这种现象出乎很多人的意料。那么如何解释呢?冰的滑度主要不是取决于它的平整度,而是由另外一个看似毫无关系的原因决定的:在压强增大的时候,冰的熔点会降低!


当我们穿着滑冰鞋站在冰面上的时候,人体对支撑冰面会产生压强,初中物理课上认真听讲了的小伙伴们一定都知道,同样重量的两个物体,支撑的面积越小,产生的压强就越大。


图片来源:奇幻科学城


几平方毫米支撑面积的滑冰鞋承载了我们身体全部的体重,在这么大的压强下,冰的熔点降低了。


比如说,一块冰的温度是-5°C,而滑冰鞋产生的压强使与滑冰鞋接触的冰面熔点降低了5°C以上。在这种情况下,这部分冰就开始融化了。此时在冰面与滑冰鞋之间生成了一层少量的水。借助这些水减少摩擦力使滑冰者可以轻松滑行。而摩擦产生的热加剧了冰面的融化,当他的另一只脚接触下一个地方时,也会有同样的情形发生。


在所有已知物体中,只有冰有这样的特性,因此一位前苏联物理学家把冰称作“自然界唯一滑的物体”。其他物体只是平,而不是滑。这也是为什么我们有花样滑冰却没有花样擦玻璃比赛的原因之一。


图片来源:奇幻科学城


那么问题来了,多少压强才会使冰的熔点降低5°C呢?目前得到的理论值为冰的熔点每降低1°C,需要每平方厘米130公斤的压强。如果我们把滑冰者或雪橇的重量分配在整个接触面上,得出的数字会小一些。


这时候!该我们之前说到的粗糙冰面登场了!站在镜面板平整的冰面上与站在凹凸不平的冰面上哪个产生的压强更大呢?答案当然是后者!因为在这时,支撑着人体的是冰面上为数不多的凸起。而对冰面压强越大,冰化得就越多,冰面也会越滑!


图片来源:奇幻科学城


日常生活中还有许多其他现象,都可以用上述“增大压强使冰熔点降低”的理论来解释。


打雪仗的时候,把雪块放在手里挤压,做成雪团,正是无意识地利用了冰粒(雪花)的这一特性:压强使它们的熔点降低,融化后又重新冻在一起。


 

我们习惯了身边的雪糕、冰块,却不一定真正了解它们。当温度降低至-196°C时,我们熟悉的一切会变成什么样子呢?本期节目中将会一一为你解答!


请锁定6月9日晚21:15,辽宁卫视播出的《奇幻科学城》,我们请来了中科院物理研究所副研究员罗会仟老师。罗会仟老师将用他手中的神奇冷冻液带我们走进冰雪世界。开启一段属于我们的“冰雪奇缘”

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视频来源:奇幻科学城



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本文原载微信公众号《奇幻科学城》,《知识分子》获授权刊载。


制版编辑:陈婧娴


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