Bet365 - Online Sports Betting冰雪表面为什么那么滑冰面为什么会滑？

2024-10-11 10:54:58

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　　冰雪表面的滑动摩擦系数仅有0。01~0。05，不到常 见固体表面滑动摩擦系数的1/10。冰雪表面为何有如 此小的摩擦系数已有百余年的争议。近现代对冰雪表 面摩擦学的研究认为，在冰雪表面存在1层水膜或准 液态水润滑层，避免与冰雪表面直接接触，从而减小 了冰雪表面的摩擦系数。这一水润滑层的形成机制有 三种 ，即压熔效应 、摩擦生热和预熔化。早在1850 年，JamesThomson首先提出受压融化理论，即在滑冰 或者滑雪时遇到的低摩擦是由于压力融化产生水膜， 从而起到了润滑的作用。JamesThomson计算得出， 施加46。6MPa的压力可以把冰的熔点降至−3。5 ℃。 但是，他的计算无法解释在低于−3。5 ℃环境下运动员 依旧能够滑行自如。滑雪者对雪的压力不足以使雪在 低温下融化 ，压力熔化也只在熔点附近起作用。 1939年，Bowden和Hughe进行了一系列研究得出摩擦 生热是冰表面水润滑层形成的原因 ，即两个物体相 对滑动摩擦过程中发生能量的耗散，机械能转化为热 能，使冰融化，形成水润滑层，减小了物体在冰表面上 的摩擦系数。滑雪板板底与雪面接触初期，摩擦生成 的热量不足以使雪融化，在滑动过程中，摩擦产生的 热量足以融化雪，水膜层逐渐变厚，这个过程会引起 水润滑，这是现在普遍认为的滑雪板在雪面上的主要 摩擦状态 ，多数冰雪摩擦影响因素的研究都是基于 摩擦生热理论。尽管摩擦生热理论能够解释相对较高 温度下和运动过程中冰雪表面为何是滑的，但无法解 释冰雪表面的静摩擦系数为何也同样很低。

　　早在1842年，Faraday在观察到冰的“复冰”现象 后，首次提出了预融化层的存在。即在给定压力下，冰 层表面在低于熔点的环境下存在1层薄薄的液态水膜。 而将两冰块相接时，液态层在两块冰之间发生冻结， 出现“复冰现象”。1949年，Gurney提出冰表面水分子 因低配位而不稳定，表面的水分子会向固体内部迁移 直至表面趋于稳定，这使表面水分子的排列趋于无 序，促使表面液相形成，预熔化现象的存在使得能观 察到准液态层（quasi-liquidlayer） 。自20世纪60年代 以来，科学家在各种条件下应用多种试验方法研究并 证明了冰表面的预融现象：Kvlividze等应用NMR测 量发现在低于冰熔点的温度出现了1个窄吸收线，并 非类似于周期性固体的宽吸收线 ℃时冰表面 分子的转动频率比体相内大5个数量级，约是液态水 分子的1/25，自扩散系数比体相内大2个数量级；Furukawa 等利用XRD分析表明，冰表面的分子间距离液态水分子间距离冰体内分子间距离；Materer等利用 低能电子衍射（LEED）对Pt（111）晶面上生长约1nm厚 的超薄冰层的（0001）晶面进行测定并发现在冰表面有 1层完全的双层结构（见图1），最外层的上半部存在强 烈振动的水分子（冰面表面有悬浮的或“自由的”OH键），试样表面均方根振动振幅为0。25~0。33，体相 内均方根振动振幅为0。10，在−243℃（30K）下对表 面冰结构的氦原子散射测试中证实了最外层的双层 结构有振动较强的水分子；在−100~−2℃（173~271K） 的温度范围内用和频产生光谱（SFG）研究了冰表面分 子的取向无序性，SFG的结果表明在约−73℃（200K） 的温度下检测到表面存在大量取向无序的水分子，并 且随着温度的上升表面水分子的无序性增强，冰的表 面由有序结构向无序结构转变，出现准液态层。

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