99网址 雪被踩了以后为什么会发出吱吱声?

2020-01-11 18:47:38 次浏览 来源:网络整理

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在雪地上的走的时候,雪有时会发出吱吱的声音。这是怎么啦,是雪被踩疼了吗?可是为什么有的雪被踩了以后没有吱吱嘎嘎的声音呢?

虽然下雪的过程已经被科学家们研究得透透的了,但是雪被踩了以后为什么会发出嘎吱嘎吱的声音,真倒还没有很多人研究过。

雪是过冷水滴(温度低于冰点但还没有结晶的水)遇到空中悬浮的灰尘微粒后凝结而成的。雪片从天而降的过程中,有时还会遇到一些过冷水滴,然后它们就会抱在一起变成很结实的小雪球,叫做霰(xiàn,graupel)。

霰(左)和冰雹(右)

踩在这类很结实的雪上面以后,被踩的霰就会发出吱吱嘎嘎的怪叫,好像踩到了它们的尾巴一样。

有一些雪松松垮垮的,踩在这种雪上面,它们就会发出梭梭的声音,很好听。

那么,雪被踩了以后发出的声音到底是什么产生的呢?现在的解释主要分成两类。

雪被冻得“牙齿”打架

有人认为,雪发出的吱吱声是雪粒之间摩擦,或者雪和鞋子摩擦发出的声音。而且雪能不能发出摩擦声,和温度有很大的关系,只有非常冷的雪才能发出吱吱声。

也就是说,雪发出的吱吱声是它们“冻得牙齿打架”的声音。

这派解释把雪的声音和温度联系了起来。

物理学家法拉第(michael faraday)发现,冰晶总是被一层水(准液体层,quasi-liquid layer)包围着,而这层水的厚度和温度有关。

零下10摄氏度以下时,这层水就只有一个水分子那么厚;在零下1摄氏度的时候,这层水有好几百个水分子那么厚。

云南梅里雪山(左)的上的高达4米的齿列冰锥(右)(penitent)就是复冰现象产生的。在湿度为70%,温度在零下10-20摄氏度的高海拔地区,齿列冰锥比较常见。

另外,当受到很大的压强的时候,冰的融点会下降,因此冰就会融化;压强减小后又会重新结冰,这就叫做复冰现象(regelation)。

因此有人提出,如果雪的温度在零下10摄氏度以上,此时如果去踩雪,一些雪在你的吨位产生的巨大压强下就会软化变成一滩水。这些水就像润滑剂一样,可以减小摩擦,因此这样的雪就不会发出吱吱声。

如果冰的温度低于零下10摄氏度,就算你是一只踩着高跟鞋的小猪,你的鞋跟产生的压强也并不足以使冰融化,雪还是一粒一粒的冰晶。所以被踩了以后,固体状的冰就像沙粒一样会相互摩擦发声,或者和你的鞋子摩擦发声。

不过这个解释的一个大毛病在于,有人计算过,在一般的环境中,即使穿着带冰刀的溜冰鞋,人的体重在冰刀上产生的压强也不足以使冰融化。

所以究竟人能不能把雪踩成水,是不是含水量大的雪就不容易发出吱吱声,现在谁也不能确定。

雪的脖子断掉了

麻省理工学院的材料科学家 w. craig carter 认为,雪被踩了以后发出的声音是雪的“脖子”断掉的声音。

这里说的雪的“脖子”就是冰的晶体之间的化学键,吱吱声就是雪片之间的化学键断裂的声音。

新下的干干的雪片之间的距离比较大,相互之间结合得并不紧密,化学键不多。这样的雪踩起来,是“夫夫”声,而不是吱吱声。

几个小时后,新雪在自身重力的作用下碎掉垮塌,然后又重新结合起来,形成了更多的化学键。因此蓬蓬的新雪变成了更加密实的老雪,老雪不容易因为自身重力继续垮塌。

从新雪变成老雪的过程叫做“烧结”(sinter),经过了烧结的老雪被你的体重压爆了以后,许多化学键被踩断了,因此才会发出叽叽声。

在 carter 看来,雪被踩出吱吱声和瓷器碎掉时发出的“哗啦”声是一回事。实际上,瓷器就是通过烧结产生的,粘土分子在高温下形成了新的化学键,变得更加密实牢固,因此打破瓷器时断裂的分子键也会发出声音。

这种解释听起来挺有道理的,因为在踩雪的时候,上面一层松松的雪会发出沙沙的声音,但是踩到底下比较硬的雪的时候就会发出吱吱的声音。嚼冰的时候也会发出吱吱声。现在就差一个实验来证明这个假说了。

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图片来源:phys.org, snj today, giphy

j. corripio, spiked ice, 2001, edinburgh, scotland.

v. bergeron, c. berger, and m. betterton, controlled irradiative formation of penitentes. phys. rev. lett., 2006. 96(9).

参考资料:

humphreys, w. j. (1920). physics of the air. franklin institute of the state of pennsylvania.

https://www.scientificamerican.com/article/why-does-snow-squeak-when-stepped-on/

http://blog.sciencegeekgirl.com/2008/12/29/why-does-snow-crunch-under-your-feet/

https://arxiv.org/pdf/1501.06981.pdf

https://nsidc.org/cryosphere/snow/science/characteristics.html

http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ed049p179.1

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责任编辑:匿名

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