【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］

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/

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。

>>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。

外人の女はなんで「おーイエス」ってあえぐの？

>>1　滑って転ばないと話題にならないから

>>4
クリスチャンだから

要は表面が溶けてなくても滑るってことね

>>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

>>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。

「つるとかめがすーべった」
その「つる」は鳥のツルではなくて、つるっと滑ったという意味ではないのか。

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

るっと止まるんだぜ

うしろの正面はお前だ!

バナナの方が滑る事を忘れるな

>>6
ア　ナルほど

滑る理由を調べるのになんで球を転がすのだろうか

滝沢昇「ハイドロプレーニング現象だーっ」

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

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

>>6
なんてこった、ジーザス！それは本当かい？

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

俺のジョークはなぜ滑るのか？

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

お前の髪のない部分はどういう理屈だ？

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

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？

>>16
滑らないから

疑問が氷解したね。

つまり、かき氷がうまいのもこれですね

なんだ？松本人志が悪い
のかと思ってた！

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

なるほどわからん

カーリングでは
マイナス7度を目指せばいいのか

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。

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？

>>15
ひゅー！

>>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。

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？

>>37
ヘブライ語に近い発音はyesだけどね。

表面次第でしょ？

◆

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。

--------------------------------------------------
これ
先に書かなきゃダメだろ・・・・・・・・・・・・・・・・・駄文　必死で書きまくる、スレ。

普通に
溶けて　抵抗が下がるって解釈だろ。・・・・水分子の２量体３量体　VS　氷の抵抗の上昇　ってことだろ。

>>4
オーノーっていうとレイプと見なされて違法になるとかなんとか

＞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
俺の馬鹿な頭で考えると、単純にマイナス１００度の氷だと水が直ぐ凍っちゃうから摩擦力が高まるんじゃないのか？

-30℃とかになる地域ではもう全然スリップしないらしいけど
そのあたりの気温ではどうなんだろう

>>26
その通り
地面に敷いてある小さい丸太の群がコロコロ転がって
重いモノを滑らしているのをイメージするとわかりやすい
>>1は氷に限定しているから客観的な視点が欠落している駄文だが
このような現象は飛行機の翼の表面でも同様に起きているから
航空力学の専門家のほうが良くわかっている

クルマのタイヤなら…滑る
重みと摩擦抵抗が有る

うん。
バナナの皮が滑るのと同じ理屈だな。

結晶して分子がそろうために摩擦が少なくなる

>>12
つーーーーっと来るんだよね。

>>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

なんだ、やっぱ表面に水があんじゃん

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

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

摩擦が少ないだろ

ろう、みたいに

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？

>>4
カモーン
シーハー
ファックミープッシー

コロンブスの卵的な発見やな

水の分子が転がっているのかと思ってた。

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

−7度の氷が一番滑るってことか？

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

【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

>>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

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

氷の上に水の膜が出来て滑ると説明されてきたけど

炭素の上に液体炭素があれば滑るのかもな

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

寒いから

　滑るんやデェ〜〜〜

>>68
滑るから寒いんだ
因果が逆や

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

パッ出た！
閉店ガラガラ
やかましいわ、ドアホ！

あまり突き詰めると

マトリックスが崩壊するからな。

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

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。

>>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

>>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

>>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。

ちょっとなにいってんのかわかんない

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？

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

>>79
GIGAZINEでいいからリンク先の絵を見てみて

>>48
逆だよ

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

>>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

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

スタッ「ド」レスだぞ

>>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

よくわからない

>>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

>>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

>>4
行為を肯定していないとレイプになるから。

滑って転んで

大分県

滑るから滑る！
でいいんじゃなお？

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

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

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。

>>34
B層の方ですね

自分は氷の食感で気付いてた、
氷の表面は常に水

>>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

これ何気に大発見なんじゃないの？