氷はなぜ滑るのか？150年の謎に4つ目の仮説

スケートリンクで優雅に滑ったり、凍った歩道で転んだりする理由は、氷の表面に薄い水の層があるからです。科学者たちはこの潤滑層が氷を滑りやすくすることには同意していますが、なぜこの層ができるのかについては150年間議論が続いています。

昨年、ドイツの研究チームが4つ目の仮説を提唱し、この謎を解決したと主張しました。しかし、科学界の合意はまだ得られていません。氷の滑りやすさという身近な現象の背後には、予想以上に複雑な物理学が隠されているのです。

150年続く3つの理論

圧力説は1800年代半ばに英国の技術者ジェームズ・トムソンが提唱しました。氷の上に立つと、その圧力で表面が溶けて滑りやすくなるという理論です。通常、氷は0度で溶けますが、圧力がかかると融点が下がります。

しかし1930年代、ケンブリッジ大学のフランク・ボウデンとT・P・ヒューズが計算したところ、一般的なスキーヤーが氷にかける圧力では融点を大幅に下げることはできないことが判明しました。そのためには数千キログラムの体重が必要だったのです。

摩擦説は同じ研究者たちが代替案として提示しました。氷の上を滑る際の摩擦熱で表面が溶けるという理論です。スイスアルプスの人工氷洞で実験を行い、熱伝導率の高い真鍮は熱伝導率の低いエボナイトより摩擦が大きいことを発見しました。

しかし、この理論にも問題がありました。アムステルダム大学の物理学者ダニエル・ボンは「摩擦熱は後ろの氷しか溶かさず、実際に滑っている氷は溶かさない」と指摘します。氷は動く前から滑りやすいのです。

表面融解説は1842年にマイケル・ファラデーが観察した現象に基づきます。氷の表面には何も触れていなくても、薄い水の層が存在するという理論です。表面の水分子は内部の分子より結合が弱く、より自由に動けるため、液体に近い状態になります。

4つ目の仮説：アモルファス化

ザールラント大学の研究チームは、既存の3つの理論すべてに疑問を投げかけました。材料科学者のアクラフ・アティラは「氷の滑りやすさは、これらの組み合わせか、まだ知られていない何かによるものかもしれない」と述べています。

研究チームはダイヤモンド研究からヒントを得ました。宝石研磨職人は長年の経験から、ダイヤモンドには磨きやすい面と磨きにくい面があることを知っていました。2011年の研究で、ダイヤモンド同士が滑り合うとき、表面の原子が結合から引き離され、無秩序な「アモルファス層」を形成することが判明しました。

氷でも同様の現象が起きているのではないか——これが新しい仮説です。氷の表面同士が滑り合うとき、水分子の双極子性により微小な溶接が生まれ、それが破れて新しい溶接ができる過程で、氷の結晶構造が機械的に破壊され、液体のような無秩序な層が形成されるというのです。

合意への道のり

マドリード・コンプルテンセ大学のルイス・マクドウェルのチームは、コンピューターシミュレーションで3つの理論すべてが同時に作用することを示しました。「すべての仮説が程度の差はあれ同時に機能している」と彼は説明します。

温度や条件によって、どの効果が支配的になるかが変わります。融点に近い温度では表面融解が、高圧下では圧力効果が、高速での滑走では摩擦効果が重要になる可能性があります。