【物理学】「なぜ氷の上は滑るのか?」という問いに対する伝統的な通説が覆される[05/23]

1: しじみ ★ 2018/05/24(木) 01:54:37.24 ID:CAP_USER

氷上を滑り速さを競うスピードスケートなど、氷の上で行われるウインタースポーツは多いものです。
しかし、意外なことに「なぜ氷の上で滑るのか?」というメカニズム自体はこれまで解明されていませんでした。
ついに、マックスプランク・ポリマー研究所の研究者が古くからの謎を解明しています。

Molecular Insight into the Slipperiness of Ice – The Journal of Physical Chemistry Letters (ACS Publications)
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.8b01188

The slipperiness of ice explained — ScienceDaily
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/05/180509121544.htm

「スケート靴のブレードが氷の上でなぜ滑るのか?」という疑問に対する古くからの通説的な見解は、
刃が氷を押し付けるときに高まる圧力によって氷が融けるからというもの。
「固体(氷)が液体(水)よりも密度が低い」という水の持つ珍しい特性から、氷に圧力が加わるとそれを逃がす方向で、
密度の高い液体の水に変化するという熱力学的なメカニズムが働き、氷から変化してできた水によって滑るというわけです。
しかし、この考えではブレードではない靴底のような接地面積が広く比較的圧力が小さな状態でも滑ってしまうことを説明することができません。

「なぜ氷の上は滑るのか?」という疑問を解決する研究を行ったのは、
マックスプランク・ポリマー研究所の永田勇樹博士らの研究チーム。
研究チームは、氷の表面上に薄くできる「層」の構造に注目し、氷が滑るときにこの層がどのように変化するかを調べました。

研究では、温度をマイナス100度から0度まで変えた氷の上に鉄球を転がすことで、
氷の温度が低くなるにつれて摩擦力が高まることを発見しました。温度によって摩擦力が変化する原因を探るため、
氷の表面の水分子の構造を分光学的手法で分析し、
その結果を分子動力学法(MD法)を使ったシミュレーション結果と比較しました。

比較した結果、氷の表面には2種類の水分子が存在することがわかりました。
一つは3つの水素結合によって分子を構成して氷の下に潜り込む水分子で、
もう一つは2つの水素結合で結びつき比較的自由に動く水分子だとのこと。
一般的な氷の水分子は4つの水素結合によって結びついていますが、
氷表面にはより水素結合の数が少ない水分子が存在するというわけです。
そして、これらの可動性のある水分子は熱振動によって小さな球のように氷の上を継続的に動き回ることがわかりました。

これら2つの固体の水分子は相互変換され、温度変化によって割合が変わることもわかりました。
実験では、マイナス70度を超えると水素結合が2つの水分子が増え始め、
温度上昇に従って氷表面の摩擦力が低下していく関係性が確認されています。
以上の通り、氷の表面が滑るのは、溶けた液体の水が原因ではなく、
氷表面に存在する「可動性のある水分子」が原因だということが判明しました。

なお、温度上昇に従って摩擦係数は下がり続けますが、マイナス7度で最小値をとることが確認されています。
この理由について、研究者はマイナス7度から0度の温度域では氷が柔らかくなり、
氷の上を滑る物体の表面の物質が深く氷に食い込んでしまうため、摩擦が高まり滑りにくくなってしまうと考えています。

関連ソース画像
https://i.gzn.jp/img/2018/05/23/slipperiness-of-ice/a01_m.png

関連スレ
【話題】物理学者もお手上げ、カーリングの原理 ストーンはなぜあのように曲がるのか?中世からの謎[02/26]
https://egg.5ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1519857703/

GIGAZINE
https://gigazine.net/news/20180523-slipperiness-of-ice/

3: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 02:04:35.39 ID:XSl7vKV/
>>1
原文を読んだが日本語訳がおかしい。3つの水素結合で下の氷と結びついている水と
2つの水素結合で下の氷と結びついている水があるというお話だよ。

 

8: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 02:14:52.57 ID:9iH+kvxC
>>3
水を指すのじゃなく、水分子だろ。
氷の表面は、水分子が四方向から水素結合されて

 

9: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 02:18:29.60 ID:9iH+kvxC
>>8
途中送信された。
されてなくて、三方向や二方向からのみ
水素結合されていて
二方向だけだと、その水分子はぶらぶらしていて、上に乗ると滑るって訳か。

 

5: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 02:12:22.62 ID:K5BzGhQM
>>1 滑って転ばないと話題にならないから

 

2: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 01:57:22.01 ID:LfpM+2TN
知ってた。それが証拠に、雪の上で足が滑る時は靴の裏にびっしりと雪の層が出来てる。

 

4: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 02:05:12.73 ID:Lb91ekeN
外人の女はなんで「おーイエス」ってあえぐの?

 

6: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 02:13:11.02 ID:LyUeTT02
>>4
クリスチャンだから

 

15: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 02:33:40.05 ID:Lb91ekeN
>>6
ア ナルほど

 

36: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 07:24:29.78 ID:ozRAER9K
>>15
ひゅー!

 

20: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 04:10:07.29 ID:HzQCxFHU
>>6
なんてこった、ジーザス!それは本当かい?

 

37: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 07:41:23.59 ID:M1hgR9nV
>>6
マジレスすると
イエスはYes
イエスキリストはJesus=ジーザス
だからキリストは関係ない。

 

39: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 08:02:25.22 ID:cEf/hc/z
>>37
ヘブライ語に近い発音はyesだけどね。

 

7: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 02:14:43.80 ID:LyUeTT02
要は表面が溶けてなくても滑るってことね

 

11: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 02:22:15.66 ID:bgolGj5J
熱振動によって小さな球のように氷の上を継続的に動き回る

 

12: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 02:22:22.64 ID:2k4MGBC+
るっと止まるんだぜ

 

14: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 02:32:13.24 ID:T7hgttSE
バナナの方が滑る事を忘れるな

 

16: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 02:49:40.74 ID:kvKs4o44
滑る理由を調べるのになんで球を転がすのだろうか

 

27: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 05:50:45.88 ID:M2ECZdhD
>>16
滑らないから

 

17: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 02:51:21.75 ID:UchMHcIN
滝沢昇「ハイドロプレーニング現象だーっ」

 

18: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 03:11:07.54 ID:fEsJkalg
実際には凍った歩道は寒い方が滑らないけどな
まぁ札幌なんで寒いと言っても-10℃ちょいだけどね

 

19: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 03:13:28.05 ID:rUBoM3/N
アタマがツルツルの人は、直射日光を受けると頭皮が熱くなってしまうそうだ
だから帽子をかぶる必要がある

 

21: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 04:15:03.97 ID:o8M02+ph

2月あたりに「ただ『圧力で溶けます』って学研の教材にあったような説明だけでは不十分だよ」って
スレが立ってたなあ

ドイツの研究所が解明したか

 

22: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 04:27:58.69 ID:0JYf8WFn
俺のジョークはなぜ滑るのか?

 

23: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 05:04:05.79 ID:m7pP9+UE
摩擦の研究は複雑らしいね
現代科学でも解明は簡単じゃない

 

24: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 05:26:59.83 ID:+Tuh+IYp
お前の髪のない部分はどういう理屈だ?

 

25: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 05:29:32.98 ID:gC+ox51h
氷の表面に「可動性のある水分子」、つまり液体の層が常に存在するということだろうか
表面は固体と液体の間を揺れ動いていると高校の授業で習った記憶がある
感覚的には納得できるね

 

26: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 05:33:00.53 ID:2YKUe1+t
つまり、原理としてはピラミッド建設の時の重い石の運び方と同じってことだろ?

 

28: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 05:59:06.92 ID:h6lbdhdX
疑問が氷解したね。

 

29: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 06:23:13.66 ID:NGTgUQSQ
つまり、かき氷がうまいのもこれですね

 

30: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 06:43:15.48 ID:hqLXRkUQ
なんだ?松本人志が悪い
のかと思ってた!

 

31: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 06:44:19.32 ID:a8TCEpEc
手をつなぐ相手がいなくて氷の結晶に参加できない隅っこのボッチ水分子=おまいら がすべる原因

 

32: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 06:55:31.57 ID:RpYlK+QC
なるほどわからん

 

33: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 06:58:29.53 ID:L8yH8H/0
カーリングでは
マイナス7度を目指せばいいのか

 

34: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 07:06:50.10 ID:32D9FrJP

こういうのは、文字や言葉では伝わらんな。

今の時代、映像でないと・・・

実写が無理ならアニメでもいい。

 

35: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 07:07:22.01 ID:kUI5caRo
今までのように、液体の層が発生して滑るのではなく、
乾いた氷の上でも、ベアリングのように振る舞う
水分子が存在するので滑るということ?

 

38: ニュースソース検討中@自治議論スレ 2018/05/24(木) 07:55:55.66 ID:cEf/hc/z
で、これで凍結した道路の上でも滑られないタイヤができるの?

 

元スレ:https://egg.5ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1527094477/-100

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