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氷がなぜ滑るのか、実はまだわかっていない

   

氷がなぜ滑るのか、実はまだわかっていない

氷の持つとても特殊な性質。滑る、増える、与える

 2018年1月後半の大寒波では日本海側だけでなく関東地方にも雪が降り、転倒や車のスリップなどで700人以上がケガ(*1)をしました。

それは氷という物質(H2Oの固体状態)の持つ、ある特殊な性質からくるものでした。それが「滑る」です。

もちろん、鉄板の上に水や油が撒かれていれば滑りますが、乾いた鉄板であればいくら寒かろうが熱かろうが、滑ることはありません。でも氷は、水が撒かれてなくとも滑るのです。なぜなのでしょう。

他にも氷は、他の物質にない特殊な性質をいろいろ持っています。その2つ目が「増える」です。ふつうの物質は、液体から固体になるとき、体積が減ります。たとえば溶かしたパラフィン(洋ロウソクの原料)を、コップに入れて冷やしていくと真ん中が大きく凹みます。体積が15%も減るからです。

でもH2Oの場合には逆です。固体(氷)になると体積が10%増えるので、液体(水)に浮くようになります。

氷の特殊さの3つ目は「与える」です。H2Oは気体→液体のときに周りに与える熱量=凝集熱(逆が気化熱もしくは蒸発熱)も、1gあたり532calと他の物質に比べ圧倒的(*2)ですが、液体→固体の凝固熱(逆は融解熱)も80calと銅の2倍、鉄の13倍、液体酸素の24倍に達します。氷はできるときに、多くの熱を周りに与えるのです。

氷はなぜ増えるのか。それは

「滑る」の話にいく前に、水が凍ると体積が増える(*3)理由を説明します。

ふつうの物質は、固体になるとき分子間の隙間が減って、ぎゅっと締まるので体積が減ることになります。密度が上がるので、体積当たりでは重くなります。

H2O分子の特長はその非常に強い分極性(双極性モーメントという)にあります。遠くから見ると電気的に中性ですが、近寄るとプラスとマイナスが狭い範囲で強く分かれているのです。

氷の特殊さの3つ目は「与える」です。H2Oは気体→液体のときに周りに与える熱量=凝集熱(逆が気化熱もしくは蒸発熱)も、1gあたり532calと他の物質に比べ圧倒的(*2)ですが、液体→固体の凝固熱(逆は融解熱)も80calと銅の2倍、鉄の13倍、液体酸素の24倍に達します。氷はできるときに、多くの熱を周りに与えるのです。

氷はなぜ増えるのか。それは

「滑る」の話にいく前に、水が凍ると体積が増える(*3)理由を説明します。

ふつうの物質は、固体になるとき分子間の隙間が減って、ぎゅっと締まるので体積が減ることになります。密度が上がるので、体積当たりでは重くなります。

H2O分子の特長はその非常に強い分極性(双極性モーメントという)にあります。遠くから見ると電気的に中性ですが、近寄るとプラスとマイナスが狭い範囲で強く分かれているのです。

磁気と電気は異なりますが、H2O分子はもの凄く小さな強力磁石のようなものとイメージしてもいいでしょう。これが相手の物質に張り付いて、分子をひとつひとつ引き剥がし、自分たちの隙間に取り込んでいくのです。これが水にものが良く溶ける理由なのですが、これはH2O分子同士でも同じ。

H2O分子は、H2O分子のなかに上手に取り込まれているのです。

ところが、固体になると分子は行儀良く整列しなくてはならないので、逆に隙間ができて体積が増えるというわけです。

まさにこの「増える」性質のために、海や川の生物は冬でも死なずに済んでいます。もし氷が水より重かったら大変です。寒気によって冷やされた水は凍って海底に沈みます。代わりに温かい水が海面に上がって、大気に冷やされまた海底に沈みます。海底からドンドン凍っていって、最後には住む場所がなくなってしまいます。

でも、逆なので、氷はまず海面を覆い、それ以上の寒気が海水に触れることを拒絶(*4)します。上から徐々に凍ってはいきますが、熱伝導率が低く凝固熱が大きいので、簡単には増えません。

氷はなぜ滑るのか。3つの説

さて本題の「滑る」ナゾです。子どもの頃、よく本に書いてあったのは「スケート靴の秘密」でした。

なぜスケートではよく滑るのか?それはスケート靴の「刃」に秘密がありました。極めて狭い場所に全体重がのり、氷には高い圧力がかかります。それによって氷の融点が下がって一部だけ水に変わり(*5) 、その水の膜のために滑るというものでした。教科書にもそう書いてあります。

でもそれはウソでした。それくらいの圧力では氷の融点に大差はなく、かつ、それではふつうの靴のときになぜ滑るのかが説明つきません。1900年前後にジョリーらが唱えたこの「圧力融解説 」はまったくもってダメでした。

2番目の説は、1939年のもの。「摩擦熱説」です。滑り台でお尻が熱くなるように、氷だって擦れば熱を持って融けてすべる、という訳です。

しかしこれも、摩擦を減らすとより滑るのか滑らないのかが怪しい感じです。スキー板にワックス塗って摩擦を減らすと、減速する!?

3番目の説は、その源を今から約160年前のファラデーの実験に持つ 「表面融解説」でした。

氷の表面は、常に濡れている!

電磁気学の祖 ファラデーはある日、面白いことに気がつきました。それは、氷を2つ接触させるとくっついてしまう、ということでした。ファラデーはそのことから、「氷の表面は氷点下でも常に溶けて濡れている」と考えました。

氷点下の氷が2つ接触すると、接触面は「表面」ではなくなってしまうので表面の水同士が混ざり合って、凍ってしまいます。だからくっついてしまうのです。彼は1842年に、氷点下の氷の表面に液体の薄い層があることを実験で確かめました。

でも実際にはその層(*6)は厚さ数ナノメートル(1nmは100万分の1mm)しかなく、その本当の様子や発生メカニズムはわからないままでした。

1987年以降、さまざまな観察手段(レーザー共焦点微分干渉顕微鏡など)やコンピュータシミュレーションの活用によって、その正体が見極められつつあります。

でもまだハッキリ「なぜ氷は滑るのか」には答えられていません。新しい観測手法の開発とともに、それまでの説がどんどん書き替えられている状態だからです。

はやくスッキリしたいもの。研究者のみなさん、頑張ってください!

太陽系で一番氷のあるところは?

最後にこんな問題を。「太陽系内で、もっとも多く氷のあるところはどこでしょう?」

ちなみに地球上には水が1.4×10の21乗kgありますがそのうち、氷は大部分が南極大陸と氷河にあり、全体の1.7%、2.4×10の19乗kgに過ぎません。

太陽系では一番内側の水星を含め、ほとんどの惑星に水や氷の存在が確認されていますが、一般的には内側は岩石中心で、外側の惑星にメタンやH2Oが多く含まれます。中でも氷惑星と呼ばれる天王星は全質量の3~5割が氷と推定されていて、その量は4~6×10の24乗kgに達します。

天王星は極寒の巨大惑星です。直径が地球の4倍、体積だと(4の3乗で)64倍もあるので、まあこの量も当然です。

一方、カリストは木星の衛星(*7)に過ぎず、直径も地球の4分の1程度ですが、それを覆う氷の層は約200kmに達します。カリスト上の氷の量は約6×10の22乗kgで、地球上の全H2O量の40倍以上!

氷でぶ厚く覆われた衛星は他にも、木星のエウロパやガニメデ、土星のエンケラドス(*8)などが有名です。

その氷たちは、絶対零度の冷気から内部を守ります。そして熱を中に留めることで液体状態のH2O、つまり水を保持しているのかもしれません。

エウロパ、ガニメデ、そしてエンケラドスにもし生命がいるとしたら、それはきっと氷のお陰です。「増え」て浮かび、熱を多く「与える」ことでなかなか凍らない氷こそが、星を守っているのです。

http://diamond.jp/articles/-/157394

私のクールギャグがなぜ滑るのかも、実はまだ解明されていません(;´・ω・)

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