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/myth/ - 流言終結

Let’s go ONE MORE CHANCE
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80c090e9 No.6191

島島我今天是來直接終結留言的

冰為什麼會滑?
壓力假說是在1886年由愛爾蘭物理學家約翰·喬利John Joly所提出
但你只需要簡單計算並搭配水的三相圖就能發現
人的體重壓在冰刀上只能讓熔點下降約0.1℃ (90kg/900mm²)
而滑冰比賽中冰面溫度大多設定在-5℃以下
也就是壓力不可能在冰刀和冰之間造成水
事實上,喬利所計算出的結果是冰刀造成約466atm的壓力,相應的熔點為-3.5 °C
不說喬利計算的正確與否,正常人應該會直接冒出下一個疑問:那-3.5 °C以下不就溜不了冰了嗎?
喬利沒有解釋,但這個假說依舊延續了超過一個世紀並被大眾所接受

80c090e9 No.6192

事實上,這個假說其實有被挑戰
Frank P. Bowden和T. P. Hughes在1939年發表了一篇以滑雪板進行實驗的論文
由於滑雪板接觸面積比冰刀大
因此他們質疑人的體重不足以讓冰在滑雪板下形成水膜
他們在在海拔3346米的瑞士少女峰研究站上方的冰層中挖出的洞穴中進行實驗,洞穴溫度從未超過-3°C
該團隊還使用乾冰和液態空氣確保溫度在控制下
實驗結果發現滑動摩擦係數在一定範圍內與載荷、表面接觸面積和滑動速度無關,而溫度降低時摩擦係數明顯上升
因此他們認為摩擦力才是形成水膜的關鍵

神奇的是
在他們之前的五十多年間沒有任何人對喬利的計算提出疑問

80c090e9 No.6193

如果說上述兩人只是懷疑壓力可能不是主角
地球物理學家Samuel Colbeck就直接反對壓力融化的解釋
他在在1988年至1997年間發表一系列論文
其中包括計算出壓力不足以在冰刀和冰之間形成水膜的內容
你瞧
我們早在90年代就應該知道壓力假說是錯的了
但一直沒人想到要改課本

ccf188dc No.6194

File: 1720272080224.png (494.28 KB, 509x416, 1708592644298.png)

>冰刀之所以能滑跟壓力降低冰的熔點一點關係都沒有
108課綱的受害者?

冰刀之所以能滑是由於冰的摩擦力幾乎沒有

7d8c7698 No.6195

>>6194
問題就在於冰為什麼是滑的阿
就算冰的表面不光滑摩擦力還是很低
這個問題是最近滿有趣的科學進展
有人在Nature發論文了 北京大學的研究
https://www.phy.pku.edu.cn/info/1031/10103.htm
是冰結凍時會形成兩種堆疊結構的有序排列
然後由於兩種結構的交界自由能會比較高
在120K(大概零下150度左右)以上時交界的水分子會部分轉變成一種介於固態和液態的準液態
這才是冰滑的原因

7d8c7698 No.6196

北大這個研究算是完整解釋了這個問題
不過只要去查一下資料就能發現
冰上有一層什麼東西這件事其實也是更早就知道了
有人發現正己烷在冰面的溶解度在零下30度左右有變化
有人用核磁共振發現冰表面分子旋轉的速度介於冰和水之間
有人用X光繞射發現冰表面有一層無序層
只能說壓力造成冰的熔點降低這個解釋實在太漂亮
導致很多人看完這解釋之後就停止思考 包括我w

f3fb34c6 No.6197

>>6194
問題就是冰以固體來說這種程度的低摩擦力很不合理 地球上大多數結晶無機固體不論高低溫度 都是普通地表面有一定摩擦力的固體 為什麼就冰這麼有特色
不然你以為為什麼這麼多人會去研究"為什麼冰的摩擦力很低"而不是直接地歸納成"喔那就是因為冰的摩擦力很低阿你問這個幹麻你是不是108課綱的受害者"

而且八成你想到的理論都曾被證明過不對了 包括開版的壓力變性說
還有曾經有人認為這是因為冰的表面不論溫度有多低 都長期會有一層是液體 所以滑其實是液體的特性
但是大概二百多年前就有人把他放在真空室裡 在一定的低層之下水只能以固體或是氣體存在 沒有液體的可能性 (參考三相圖在三相點以下的部分) 但他還是有不合理的低表面磨擦力
反而說真的把水灑在冰上時 他的磨擦力不自然地會比較高
還有就是有人實驗發現就是冰在大約大氣壓力-7度時擁有最低的磨擦力 也是一個令人疑惑為什麼會是這個這麼特定的數字?的奇怪特性

不只這樣 冰還有很多很不尋常的物理特性 比如如果把兩個冰塊加壓壓在一起(同樣以極低溫和真空避免熔化成液體) 兩個冰塊會合成同一塊(真空冷焊 通常是固體金屬才有的特性 在普通的無機結晶中不會出現)

而解釋這些現象的就是 就是上面島島所貼的新論文 他們直接用原子掃瞄成象去掃瞄冰塊表面 發現了冰塊之中和我們想的一樣平常會構成一個六角形的晶體結構 但是表面原來水分子是以另一種較弱而且有缺憾的晶格結構存在 導致他會把部分水分子上的氫子對著外面 而不是緊緊地鎖死在冰的結構之中 所以在冰的固態表面就有一層擁有類液體的特性的晶體 論文裡稱這個狀態作"預熔化"

至於為什麼原子掃瞄成象這種事情為什麼不一早就做
那是因為本來普通的AFM對滑溜的表面沒轍 掃瞄細針會直接滑過表面而沒法形成映像 這邊他們是改進了還是引入了什麼黑科技就不太清楚



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