冰雪表面为什么那么滑,冰面为什么会滑?


        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,−20~0 ℃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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        研究人员还通过其他表面科学技术来测量预融 化层厚度(见表1)和其与温度的关系,并发现准液态层 厚度随着温度的升高会变厚。试验研究证实在体相熔 点以下存在预融层,当温度接近体熔点时,准液态层 厚度增加得很快。然而,预熔层厚度与温度之间的依 赖关系并不明确,主要是不同的技术基于不同测量原 理测量准液态层厚度,它们的灵敏性和温度依赖性并 不一致。


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