文/ 從落

　　溫度的魔法

　　冰，是水在低溫環(huán)境下的奇妙“變身”。其變身過程蘊(yùn)含著奇特的科學(xué)奧秘。當(dāng)環(huán)境溫度下降，喜歡到處閑逛的水分子也會變得懶洋洋的。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，一旦溫度降至0℃，水分子之間就會達(dá)到一種特殊的平衡狀態(tài)——以有序的方式排列，形成六角形的晶格結(jié)構(gòu)，這便是冰晶體的雛形。

　　在冰晶體生長前，水或其他物質(zhì)中存在一定量的微小晶核。這些晶核就像一粒粒“種子”，周圍那些有序排列的水分子會不斷地附著上去，于是冰晶逐漸生長、壯大起來。在自然界中，當(dāng)氣溫降低時，云層中的水汽會直接凝結(jié)成冰晶，眾多冰晶相互聚集、結(jié)合，形成雪花，從空中飄落。當(dāng)大量的雪花堆積在一起，在自身重力和外界壓力等因素的作用下，它們之間的空隙逐漸減小，雪花的形狀也逐漸改變，最終形成堅實(shí)的冰層。

　　爭論不休的“滑”

　　100 多年以來，科學(xué)家們對“冰為什么會這么滑”一直爭論不斷，還為此提出了多種有趣的猜想，但這些猜想都沒有離開“摩擦力”這一討論支點(diǎn)。“滑”與摩擦力之間存在著密不可分的關(guān)系。

　　早期， 人們認(rèn)為冰滑是因?yàn)楸嬗幸粚颖”〉囊簯B(tài)水膜， 但沒有得到證實(shí)。19 世紀(jì)50 年代， 電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)者邁克爾·法拉第觀察到兩塊挨著的冰會凍在一起的現(xiàn)象，就此，他提出冰的表面本身就覆蓋著一層液態(tài)水膜的猜想。當(dāng)物體與冰面接觸時，這層水起到潤滑作用，減少了摩擦力，使得物體能夠順利滑動。

　　然而，即使在極低的溫度下，冰面依然具有滑性，這似乎與水在低溫下應(yīng)凝固的常識相矛盾。于是，新的觀點(diǎn)出現(xiàn)了——壓力融解說。1886 年，愛爾蘭物理學(xué)家約翰·喬利借用滑冰運(yùn)動來論證這一理論。通過計算，他發(fā)現(xiàn)人如果站在極薄的冰刀上對冰面的壓強(qiáng)有466 個大氣壓，冰的熔點(diǎn)會從0 ℃下降到-3.5℃。也就是說，滑冰運(yùn)動員的銳利冰刀與冰面接觸，會產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)，從而降低熔點(diǎn)，因此，在兩者的接觸處，就會產(chǎn)生水膜，使得摩擦減小。約翰·喬利的理論是正確的嗎？

　　不是！首先，冰刀站在冰面上確實(shí)會產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)，但根據(jù)現(xiàn)有的研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這個壓強(qiáng)遠(yuǎn)達(dá)不到466 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。其次，在中國極北的漠河，冬天溫度可是能低到-50℃的，生活在那里的人們同樣能在冰面上“打出溜滑”。因此，約翰·喬利的解釋并不夠精準(zhǔn)。

　　到了20 世紀(jì)，人們基于摩擦生熱現(xiàn)象又提出了一種理論——摩擦融解說。1939 年，兩位英國科學(xué)家同樣借用滑冰運(yùn)動來論證這一觀點(diǎn)。當(dāng)運(yùn)動員的冰刀在冰面上高速滑動時，兩者的接觸面會因摩擦而產(chǎn)生熱量，使得冰刀附近的冰融化，并瞬間形成一層水膜。這種理論看似解釋了“為什么速度越快，冰面似乎越滑”的現(xiàn)象。然而，轉(zhuǎn)頭一想，當(dāng)人們只站立在冰面上，并不移動，冰面上的摩擦力也不產(chǎn)生熱量，腳底與冰面也就沒什么水膜時，人們依舊會“滑”得手忙腳亂。

　　到了21 世紀(jì)，科學(xué)家又提出了一個觀點(diǎn)——冰的表面本來就有一層水膜。這個觀點(diǎn)與100多年前邁克爾·法拉第的觀點(diǎn)有相似之處。在精密儀器與高新技術(shù)的加持下，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，冰表面的水分子具有特殊的活動性。由于冰晶體表面的分子受到內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的束縛相對較小，于是它們能夠在一定程度上自由振動和移動，形成一種類似“準(zhǔn)液態(tài)層”的結(jié)構(gòu)，里面住滿了一群調(diào)皮的名為“準(zhǔn)液體”的“混血兒”，其成分為水與微小碎冰的混合物，也就是說這群“混血兒”非冰非水，又亦冰亦水。目前，“準(zhǔn)液體說”是“冰為什么這么滑”的最貼合的解釋。

　　“滑”進(jìn)千萬家

　　雖然“冰為什么這么滑”一直是人們探究的謎題，但冰的滑性給人們的生活帶來了極大的便利，尤其是在交通領(lǐng)域。在冬季的北方地區(qū)，冰上運(yùn)輸曾經(jīng)是一種重要的運(yùn)輸方式。當(dāng)河流湖泊結(jié)冰后，人們利用冰的滑性，驅(qū)使動物在冰面上拉雪橇，運(yùn)輸貨物和人員。在常年冰雪覆蓋的寒冷地區(qū)，如北美、北歐及中國東北，過去人們會選擇獵犬和馴鹿作為主要運(yùn)輸方式，盡管速度相對較慢，馱載量有限，但已經(jīng)是當(dāng)時技術(shù)條件下高效且可靠的運(yùn)輸方式。在過去交通不便的年代，這些動物為人們的生產(chǎn)、生活提供了有力的幫助。如今，狗拉雪橇、雪地摩托等冰上活動也成了人們?nèi)|北旅游時，一定要體驗(yàn)的網(wǎng)紅打卡項目。

關(guān)注讀覽天下微信， 100萬篇深度好文， 等你來看……