在实验中，流变仪上采用的三种不同形状的探针：大球、小球、冰刀。| 图片参考来源：APS/Alan Stonebraker

此外，他们还利用一个球形的探针来测量冰的硬度，冰的硬度值是由探针压入冰表面时所需施加的力所给出的。

测量结果表明，冰的硬度会随温度以及滑动速度变化。在温度较低时，冰的硬度更大；但在相同温度下，冰的硬度会随着更快的压入和更快的滑动增加。硬度的这种变化可以帮助解释摩擦的变化，当温度最低时，巨大的滑动摩擦可归因于水分子被牢牢地锁在了冰的表面，而这些分子的流动性会因为滑块的剪切作用而变得更强。在中等温度下，这些分子的流动性会表现得更强，因此摩擦力更低。当温度持续升高到熔点附近时，冰的硬度下降，导致一旦滑动物体能够穿透较软的冰面，就会产生高摩擦的“犁皱”（硬的颗粒使较软表面塑性变形而形成犁痕式的破坏）行为。

图中显示了冰的摩擦力如何随着温度变化。| 图片参考来源：APS/Alan Stonebraker

研究发现，对于不同形状的探针，“犁皱”现象会开始于不同的温度。当压力恒定时，小球形状的探针会在-20℃时表现出犁皱现象；但有着更大的接触面积的滑板则会在-8℃时显示出的犁皱现象。研究人员总结道，这种区别与接触压力有关，与球体相比，接触面积更大的滑板有着更小的接触压力，这不仅延迟了犁皱的开始，并且还为冰面的水分子提供了更大的流动性，因此在更低的温度下滑板也能更好地滑动。

当接触压力变得大于冰的硬度时，滑块开始犁入表面，使得摩擦显著增加。| 图片参考来源：APS/Alan Stonebraker

摩擦力对接触压力的依赖取决于与冰接触的滑块表面积的大小，以及压力是否已经大到足以启动犁皱现象。从实验结果来看，冰的硬度随滑动速度增加，也就是说，一个快速滑动的滑板犁皱得越少，滑动得越好。

冰是一种平常而又神奇的存在，它的许多特性都让科学家为之着迷。比如现在我们已经知道，尽管在其熔点附近它的硬度会有所下降，但其硬度仍然足以维持物体在表面上滑动，这是其他大多数材料在接近熔点时无法做到的，大多数材料在接近熔点时都会因为变得太过于柔软使得物体物体无法在其表面滑动。

为了揭开更多与冰有关的秘密，接下来，研究人员将考虑进一步探索冰的摩擦会如何受到其他条件，如天气、更快的滑动速度、冰的结构等因素影响。这种研究冰摩擦的新方法能够为提高冬季驾驶的安全性，以及让提供一些冬季运动项目的表现上起到帮助。

#创作团队：

文：二宗主

图：岳岳

#参考来源：

https://physics.aps.org/articles/v14/20 https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011025

#图片来源：

封面图来源：8moments / Pixabay

本文经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）

免责声明： 自媒体综合提供的内容均源自自媒体，版权归原作者所有，转载请联系原作者并获许可。 文章观点仅代表作者本人，不代表环球物理立场。

环球物理

ID：huanqiuwuli

环球物理，以物理学习为主题，以传播物理文化为己任。专业于物理，致力于物理！以激发学习者学习物理的兴趣为目标，分享物理的智慧，学会用物理思维去思考问题，为大家展现一个有趣，丰富多彩的，神奇的物理。返回搜狐，查看更多