【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) 01:54:37.24ID: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/

49ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 09:26:09.01ID:Rt9hOaoO
>>12
つーーーーっと来るんだよね。

50ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 09:27:08.81ID:2xjh9b9I
>>41
通常の氷とは別の構造の氷なんだから溶けてるわけじゃないでしょ
湯気が液体なのと似たようなもの

>>48
表面がつるつるで酸化膜の無い金属同士は簡単にくっつくよ
表面がつるつるならむしろ摩擦は増える

51ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 09:29:11.75ID:On3WzLQ0
なんだ、やっぱ表面に水があんじゃん

52ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 09:33:26.92ID:PcfAkLSD
普通に絶対0℃付近で圧力で温度が上がっても、氷は溶けないので
確認するだけでいいだろ

53ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 09:49:41.23ID:hTZQAql0
寒いギャグはなぜ滑るのかという話に通ずるものがある

54ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 09:57:28.42ID:UYOcpzwg
摩擦が少ないだろ

ろう、みたいに

55ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 10:01:20.83ID:j+5qhK0m
ガラスが滑るのも同じ原理かい?
ゴムの滑り止めが効くのはなぜなんだい?

56ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 10:06:48.10ID:pHz2tyuX
>>4
カモーン
シーハー
ファックミープッシー

57ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 10:15:38.86ID:UfnpH9Le
コロンブスの卵的な発見やな

58ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 10:21:13.76ID:cEf/hc/z
水の分子が転がっているのかと思ってた。

59ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 10:36:29.70ID:VJxH+yax
ツルツルするから滑るんやないか
こんなこともわからんとはさてはお前ケイスケホンダやな

60ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 10:43:57.90ID:Ostopemt
−7度の氷が一番滑るってことか?

61ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 11:57:53.14ID:4nhzB30k
この説ではノーマルタイヤとスタッドレスタイヤの違いを説明できんぞ。
あと、スバイクタイヤが氷に効くのもな

62ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 11:59:48.76ID:AWIA0MPI
【テレパシー、R14指定】 バカウヨ涙目、マイトLーヤTV出演後、サヨクに屈辱の、土下座w m(_ _;)m
http://rosie.5ch.net/test/read.cgi/liveplus/1527128324/l50

63ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 12:14:00.56ID:uwO2F7NZ
>>10
気がついてしまったか…
亀ってのは地球を支える存在で、それがつるっと滑り反転してしまった様を歌ったんだよ

つまり地軸が反転する事を歌っている

64ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 15:23:55.62ID:LyUeTT02
スタッドレスは低温でもゴムが柔らかくて接地面積が広いから滑りにくいんじゃなかったか?
スパイクは氷に食い込むから滑らない
この原理とは矛盾なく説明できるがな

65ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 16:10:47.02ID:eAvN1SB2
氷の上に水の膜が出来て滑ると説明されてきたけど

66ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 16:12:42.42ID:eAvN1SB2
炭素の上に液体炭素があれば滑るのかもな

67ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 16:14:01.61ID:eAvN1SB2
固体水素の上に液体水素の幕があれば、ツルツルに滑るのかも

68ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 16:36:45.58ID:o9Ftehad
寒いから

 滑るんやデェ〜〜〜

69ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 16:39:34.48ID:srpsdz+9
>>68
滑るから寒いんだ
因果が逆や

70ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 16:57:59.72ID:LAh5Qdgb
水素結合のwikiによると、

100 oCでは、この数は分子運動の増大と密度の低下によって3.24個に減少するが、0 oCでは水素結合
の平均数は3.69個に増加する[12]。より最近の研究では、25 oCにおける水素結合の数は2.357個とかな
り少なく見積もられている[13]。

だから、

>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。

は水じゃん

71ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 16:58:14.67ID:UYOcpzwg
パッ出た!
閉店ガラガラ
やかましいわ、ドアホ!

72ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 17:06:30.41ID:ERA1zggh
あまり突き詰めると

マトリックスが崩壊するからな。

73ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 17:15:12.89ID:zAwsqWyi
日本国内の雪国だと車のタイヤは滑るが
シベリアなどの特に寒い極地ではタイヤ滑らないと昔から言われてたやん

74ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 17:44:30.56ID:UYoug6r6
スタッドレスタイヤメーカーなら10年以上前から知ってたんだろうな。
企業秘密を開示されちゃったから、今年の冬からは新規メーカーの参入が増えるかも。

75ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 17:51:46.00ID:vj5pVCQZ
>>1
こういうことか?

氷表面
2つの水素分子(マイナス70度から増え始め、自由に動き回れる、割合が高くなると氷表面の摩擦力が低くなる)
3つの水素分子(氷表面の摩擦力が高い)

氷内部
4つの水素分子

76ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 17:58:11.75ID:vj5pVCQZ
>>1
最終的にこうだな

氷表面
2つの水素分子(マイナス70度から増え始め、自由に動き回れる、割合が高くなると氷表面の摩擦力が低くなる)=水
3つの水素分子(摩擦力が高い) =溶けかけの氷

氷内部
4つの水素分子=氷

77ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 18:06:55.08ID:xMGB7Vtd
>>70
wikipediaで説明されている数は液体状態の水において、水素結合で塊になってる水分子の数で、
これで言ってるのは固体の氷の状態だと普通は腕4つで繋がってるのが、
腕切られて3つだったり2つだったりという状態になってるということだと思うよ。
ソースの絵見てもそんな感じ。

78ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 18:19:44.01ID:xPrRkeNz
ちょっとなにいってんのかわかんない

79ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 19:17:18.69ID:2xjh9b9I
水分子には3つの状態がある
4分子結合、3分子結合、2分子結合
水→氷になるとき、4分子水分子は結晶構造を作るが、3分子と2分子は結晶構造を作らない
そのため、固相においても、比較的自由に動ける水分子が存在し、マイナス70を越えたあたりから2分子水分子が表面に多く出てくるようになる

摩擦の原因の1つに、分子間力による一時的な分子結合があり、分子間力の大きさは分子の接触している表面積に比例する
分子の粒が乗ってる表面と、結晶構造で整列された表面では、後者の方が分子間力が高い
つまり氷であっても、表面に2分子水分子が存在すれば摩擦は低下する


ということ?

80ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 19:29:41.91ID:YvHpWbiv
氷も黒鉛とか二硫化モリブデンみたいに層構造で個体潤滑するってことか

81ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 20:01:25.91ID:xMGB7Vtd
>>79
GIGAZINEでいいからリンク先の絵を見てみて

82ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/24(木) 21:21:33.75ID:Br4ill8Z
>>48
逆だよ

83ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/25(金) 03:43:12.71ID:xpIvgxfa
システムキッチンのコンロの上に置いたお椀が氷の上に置いたみたいに滑ってるな、たまに
よくよく考えると滑るって不思議

84ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/25(金) 07:18:12.16ID:Mnx6VIcH
>>10
滑ったではない
統べた(すべた)だ
つるっとしたハゲ頭と亀のようなチンポコのヤツが統治した国をあらわすのだ
うしろのしょうめんとはうんたらかんたら

85ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/25(金) 08:15:47.81ID:dan2Opk9
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

スタットレスタイヤで氷点下 圧雪上を走行したときの滑り具合
日中、日差しが出て来た状態の圧雪のグリップ力を比べれば、誰でも答えが出せる
どこまで噛み砕くかが焦点であり、無駄な研究費を使わなくても解決だw

86ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/25(金) 08:38:11.13ID:tYQmuqat
スタッ「ド」レスだぞ

87ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/25(金) 09:29:36.47ID:qAzLNBes
>>77
それで水分子が自由に動けるってことなら、水による潤滑だろ

88ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/25(金) 09:57:52.32ID:k99GYI9F
よくわからない

89ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/25(金) 10:36:14.55ID:R47sD2zw
>>87
上で誰か例えてたけど、デカイ岩運ぶときに下に敷く丸太 丸太は液体じゃないだろ?

動くと言っても、液体みたいに自由に位置を

90ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/25(金) 10:38:07.20ID:R47sD2zw
>>89
途中で送っちゃった

液体みたいに自由に位置を取れるわけじゃなく、結晶の表面にある分子が表面にあるサイトをバルクより高い頻度で移動できるってだけ

91ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/25(金) 10:47:17.48ID:k0rX4qrw
>>4
行為を肯定していないとレイプになるから。

92ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/25(金) 19:56:48.88ID:f829LyPR
滑って転んで

大分県

93ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/26(土) 00:55:17.13ID:xHE3/vuY
滑るから滑る!
でいいんじゃなお?

94ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/26(土) 03:41:42.00ID:o2b46RU/
スレタイ見て考察5秒、考えた通りだった
2種類の分子、表面を覆う可動性のある分子

95ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/26(土) 11:46:50.58ID:qQ1+1Zug
この効果の有る樹脂スケートリンクを作れば儲かりそう

96ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/27(日) 08:32:09.77ID:c3Dxqadd
一年くらい前にほぼ同じ発表を見たぞ。氷の表面はどんなに温度が低くても微視的には濡れた状態だって。

97ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/05/27(日) 10:14:16.72ID:kwC+hct/
>>34
B層の方ですね

98ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/06/10(日) 10:50:49.11ID:aQ8LfmCE
自分は氷の食感で気付いてた、
氷の表面は常に水

99ニュースソース検討中@自治議論スレ2018/06/10(日) 12:38:25.11ID:wMkRLlOi
>>18
零下50℃とかの極冠地域では
ハイウェイが完全に氷の道になるけど
実は結構安全に飛ばせる、というのは聞くね

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