冰为什么很滑？看似简单却困扰人们百年

Lv.12弱力范围

玻尔

冰很滑，这件事在每一个人很小的时候都知道，因为我们都在冬天的结冰的路面上溜过冰、摔过跤，因此冰的光滑已经成为了我们的常识，像是一个不用论证的公理一样。
如果你问一个人冰为什么很滑？还很有可能会让这个人觉得你问了一句废话，其实不然，在科学上我们不仅要总结知识，而且要知道其背后的原因，为什么会这样。
接下来我们就聊下这个困扰人类数百年的问题。

在我们生活中两个固体之间的摩擦系数一般都非常大，我们为了减小它们之间的摩擦，我们一般会将两个固体接触的表面打磨的非常光滑。
但这样只会将摩擦系数减少到一定的程度，并不会给我们带来异常丝滑的感觉，例如家里的地板、玻璃表面可以说已将非常平整了，但摩擦依旧很大。

这说明两个物体之间摩擦系数的大小，其表面的光滑程度并不是唯一的因素。如果我们这是给地板上、瓷砖上、路面上、玻璃上洒一些水呢？甚至是一些油呢？
是不是很滑！尤其是冬天冰雪刚融化的时候，走在铺有瓷砖的路面，很容易摔一跤。所以说液体是减少两个固体之间摩擦系数的关键。

因为液体层与层之间很容易会发生滑动，也就是说液体的内摩擦系数非常小，如果把它们洒在固体光滑的表面，可以大大减小两个物体之间的摩擦，这就是日常生活中润滑油的作用。
那么这跟冰有什么关系呢？根据以上的知识，同样的道理，我们就可以知道其实就固体冰本身而言它并不滑，滑的主要原因是它表面有一层看不见的水膜。
这一点在科学上已经被普遍接受，但是难点是，想解释冰上为什么会有一层水却不那么容易。
压力融化说

最初认识到这个问题的是迈克尔·法拉第（Michael Faraday），没错你是认识的那个发现电磁感应现象的法拉第，因为之前的科学家都比较全能，看见啥都想研究。
1850年6月7日，法拉第在一次演讲中做着这样的实验，将两块刚取出来的冰，按在一起，很快两个冰块就会粘连。

法拉第认为冰层表面覆盖着一层液体薄膜，也就是即将结冰的水，即使在温度远低于冰点的情况下也是如此。
当两块冰相互接触的时候，它们中间的水就会重新冻结，充当了粘连剂。但当时詹姆斯·汤姆森并不同意这样的观点，认为是两块冰在相互接触的时候，因为压力的升高导致了表面的冰融化，形成液态水膜。
并提出了冰点随压力升高而下降的线性关系表达式。他的弟弟威廉，也就是我们熟知的开尔文勋爵通过实验证实了这个说法。
这就导致了后来近100年人们通过压力融化说来解释为什么冰很滑。

詹姆斯·汤姆森和他的弟弟并没有把这个理论用来解释冰为什么很滑，而是在1886年工程师约翰·乔利根据他俩的理论提出：冰很滑，是因为压力导致了冰表面的融化。
乔利还专门根据滑冰运动员做了一些计算，乔利指出滑冰运动员冰刀的与地面的接触面积非常小，计算出的压力能够达到466个大气压，在这个压力下，冰的熔点会降低到- 3.5℃。
因此滑冰运动员的冰刀会与地面形成一层水膜。这就是冰很滑的原因。

相信你看了这个解释，会觉得很牵强，但就是这样的解释人们也相信了几十年。你看，照他这么说，低于- 3.5℃的情况下就无法滑冰了，北方的同学肯定不答应，-10、-30摄氏度照样滑。
而且我们穿平底鞋、就算躺在冰面上，这样压强够小了吧，依旧很滑。所以这样的解释漏洞很多。
不过压力会导致冰的熔点降低这个理论是真的，但不能解释冰很滑的原因，也不是冰表面水膜形成的原因。
摩擦加
到了20世纪，也就是1939年弗兰克·p·鲍登（Frank P. Bowden）和t·p·休斯（T. P. Hughes）提出，冰表面的水膜是因为摩擦生热导致融化的结果。
为此它们还跑到了瑞士海拔3346米的冰洞中做了一系列的实验，得出了这样的结果，同样这样的说法也站不住脚。

摩擦确实会产生一定的热量，但这样微小的热量还是不足以融化温度很低的冰，而且你在滑动的时候，在你前面的冰还没有形成水膜，因此会有很大的阻力。
这也不足以解释为什么在冰上会具有非常长持续滑动的能力。其实这都不是重点，最主要的是，在一个斜面冰上，一开始我并没有滑动，应该没有生热，冰应该不滑，但为什么我依然站不住呢？
因此到了21世纪，科学家认为冰表面的液体层是冰本身富有的一种性质，也就是说冰本身就很滑，并不需要任何的压力和摩擦来产生水膜。
不过目前科学家还没有完全解决，为何不管多低的温度，不管与物体有没有接触，冰的表面总是有一层液体。这是一个正在研究的问题，而且我们也通过各种手段看到了这层水膜。
滑是冰固有的性质
不过问题是，同样是水膜，为什么它在冰上会更滑呢？在地板、瓷砖上就没有那么滑呢？
这说明冰表面天然形成的水膜跟我们认为的水还是由很大的区别的，它因该有一些比较特殊的性质。
在2005年的《今日物理》评论文章中，Robert Rosenberg指出，冰表面的水分子并不是我们认为的液态水，只不过它们比整块冰的水分子有更少的化学键，它们排列的更加松散，体积更大，表层的水分子能够更好的自由振动，甚至是滑动。
这层自由的水分子就在冰层的表面起到了很好的润滑作用。

2019年11月4日发表在《物理评论X》上一篇论文首次研究和测量了冰表面的这层“水膜”。解释了这层水膜为何会使得冰如此之滑，因为我们知道水并不是很好的润滑剂。
实验团队开发了一种装备有音叉的设备，类似于用于音乐的音叉，可以非常精确地“听到”在冰上滑行时的作用力。
尽管这个仪器只有几厘米大，但它的灵敏度足以探测冰，并在纳米尺度上分析摩擦的性质。

通过这个实验，科学家第一次清楚地证明了这个薄膜的厚度只有几百纳米到一微米，或者说一根头发厚度的百分之一，比理论估计的要薄得多。
而且这层薄膜根本不是“简单的水”，而是由像油一样具有复杂粘弹性的水组成的。也就是说，冰表面并没有完全转化为液态水，而是一种冰水和碎冰混合状态。
这个实验就验证了光滑本身就是冰的一种固有性质的猜想。但是冰表面为何会在纳米级形成这样的结构我们依旧不是很清楚。
所以冰为什么很滑这个问题，并没有得到彻底的解答。自然就是这么神奇，小小的生活现象，却包含着大物理，甚至是一些未解之谜。