結凍的池塘或湖泊,冰要多厚才能站人?
― 厚度變成2倍,能承受的重量就變成4倍
決定冰面強度的,不是看起來的寬廣程度,而是「厚度」。而且厚度變成2倍時,能承受的重量不是變成2倍,而是變成4倍。不過就算厚度相同,發白混濁的冰、積了雪的冰,強度也會弱上許多。
隆冬的早晨,公園的池塘結成了一片雪白的冰。試著丟顆石頭,發出「叩」一聲,在冰面上滑了出去。
孩子說「我想站上去看看」。用腳在岸邊踩了踩,紋絲不動。看起來似乎沒問題。
但就算岸邊的冰很硬,也不代表幾公尺外的冰有相同的厚度。能不能站上冰面,光看表面、光用腳踩,都是看不出來的。
決定冰面強度的,是這兩件事
冰就像一塊板子,靠些微彎曲來支撐重量。板子愈厚,就愈難彎曲,而且是急遽地變難。因此,能承受的重量會隨厚度的平方增加。反過來說,厚度減半,能承受的重量就只剩四分之一。
含有大量氣泡的白色冰,據稱強度只有透明冰的一半左右。有水流入的地方,以及積雪的地方,冰本身往往會比較薄。
也就是說,能不能站上冰面,是由「有多厚」和「是什麼樣的冰」兩者相乘決定的。接下來就依序來看看。
為什麼會隨厚度的平方變強?
人站在冰面上時,冰板會以腳下為中心,微微向下彎曲。這時冰板上面會被壓縮,下面則會被拉伸。冰比較不耐拉伸的力,會從下面開始破裂。
把板子加厚,上面和下面的距離就會拉開。這樣一來,即使重量相同,拉伸下面的力也會變小。而且,承受力量的截面本身也會變厚。這兩個效果疊加起來,強度就會隨厚度的平方增加。
請看圖1的右側。當厚度從5公分變成2倍、也就是10公分時,能承受重量的大致標準會暴增到約4倍。到了20公分,還會再變成4倍。
反過來看,這也是件可怕的事。在10公分厚的冰面上安然無恙的人,一旦踏進5公分厚的地方,冰能承受的重量就會掉到四分之一。而外觀上幾乎看不出差別。
就算厚度相同,較弱的冰會出現在哪裡?
圖1的數值,前提是沒有裂縫、沒有氣泡,透明且均勻的冰。但實際的池塘或湖泊,冰的品質與厚度會因地點而有很大差異。
首先是發白混濁的冰。是冰面上積的雪融化後再結凍而形成的。裡面含有許多小氣泡,能承受力量的部分因此變少。一般認為,強度只有透明冰的一半左右。
接著是積雪的冰。雪含有大量空氣,像毛毯一樣不容易導熱。於是冰下方的水不易變冷,冰也就難以增厚。有時雪的重量還會把冰往下壓,讓水從縫隙中滲出。
還有,就是水在流動的地方。請看圖2。河川或水道流入的入口、湧泉出現的地方、橋墩或木樁周圍,以及長有水草或蘆葦的岸邊,據稱都容易讓冰變薄。流動的水會從下方一點一點把冰融化。
還有一點,初春的冰也需要注意。快要融化的冰,會分裂成一束束像柱子般的細長結晶,據稱即使有一定厚度,也可能突然變得脆弱。「冬天一直都能站上去,今天應該也沒問題」這種想法並不可靠。
在能於冰面上垂釣的湖泊,多半是由管理人員實際鑿洞測量厚度,確認達到足夠厚度後才開放進入。之所以要逐一測量、劃定區域,正是因為如本文所見,「不同地點厚度不同」。基本原則是不要自行判斷,要遵守劃定的區域與指示。
站立時,體重集中在雙腳腳底這兩個小面積上。趴下之後,同樣的體重會分散到更大的面積,集中壓在一點上的力量就會變小。當聽到冰面發出破裂聲,或是要遠離落水地點時,之所以被教導要「趴下、滾動移動」,原因就在這裡。
那麼,該怎麼做才好?
- 不要站上未經管理的冰面公園池塘、水田、河川的冰,沒有人測量過厚度。就算踩踏岸邊感覺很硬,也無法得知更遠處的厚度。
- 不要靠近白色的冰、積雪的冰,以及有水流入的地方就算厚度相同,這些也是較弱的冰。因為外觀不容易分辨,所以一開始就要避開。
- 萬一落水,要面向來時的方向、趴著爬上岸來時走過的冰,是剛才一直撐住你的冰。用雙腳在後方水平踢動,把身體滑上冰面,上岸後不要站立,用滾動的方式遠離。
冰下方的水,溫度幾乎是0℃。掉進冰冷的水裡後,據稱最初大約1分鐘,呼吸會不由自主地急促起來,身體也難以如意活動。這時要先集中精神調整呼吸。相較於游泳游向遠方的岸邊,回到落水地點的邊緣,一般認為獲救的機率更高。就算是在有管理的冰面上垂釣或遊玩,也請務必穿著救生衣。只要能浮起來,就能爭取到調整呼吸的時間。有些人會把用來抓住冰面的爪子掛在脖子上,理由也是一樣的。
請立刻撥打119報案。不要試圖靠近冰面救人,也不要跳進水裡。那個人落水的地方,已經證明是脆弱到會破裂的冰面,過去也發生過前去救援的人一起落水的事故。請留在岸邊,遞出繩子、長棍或外套等物品,或是丟出會浮起來的東西(空寶特瓶或保冷箱)。持續出聲呼喚,並等待救援隊抵達。
總結
冰能承受的重量,是由厚度的平方決定的。只要踏進厚度只有一半的地方,能承受的重量就會變成四分之一。而且,白色的冰、積雪的冰、有水流動地方的冰,就算厚度相同,強度也會弱上許多。
冰的強度,是由表面看不出來的「厚度」與「品質」決定的。
沒有測量過的冰,就是不知道能不能站上去的冰。
至於冰為什麼會浮在水面上、又為什麼會從池塘表面開始結凍,可以參考為什麼冰會浮在水面上?;雪之所以能成為讓冰不再變厚的「毛毯」,其原理則說明於外面明明零下20度,為什麼雪的下面還是維持0度?。至於在冷水中身體會發生什麼事,為什麼失溫症在「沒那麼冷的日子」也會發生?也可以作為參考。
- 準備兩個形狀相同的扁平容器,一個裝入煮沸後放涼的水,另一個裝入用力沖出許多氣泡的自來水,兩者都倒到相同深度(約1公分),放入冷凍庫結凍。
- 結凍後取出,對著光線觀察比較。氣泡較多的那個應該看起來偏白、比較混濁。
- 把兩片冰分別架在保持相同間距的兩根免洗筷上,在中央輕輕地一枚一枚疊上硬幣,記錄疊到幾枚時會破裂。
因為可能會有碎冰飛濺,請在毛巾上進行,臉不要靠得太近。家用冷凍庫結凍的情況容易不均勻,建議多做幾次以觀察趨勢。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目,皆明確標示屬於哪個程度的內容
- 國中國中理科課程涵蓋的範圍
- 高中高中「物理」課程涵蓋的範圍
- 高中+高中的進階內容,或教科書專欄程度的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目(材料力學・雪冰學)的內容
- 研究即使在大學也不會當作「定論」教授、目前研究者仍在調查中的內容
國中用語:這個現象是有名稱的
- 彎曲:板子或棒子受到側向力而變形彎曲。一面收縮,另一面則伸展。
- 白冰與透明冰:因雪融化後再度結凍等原因,含有大量氣泡的白色冰;以及從水面靜靜結凍、氣泡較少的冰。兩者強度不同。
- 冷休克反應:突然進入冷水中時,身體出現喘息般呼吸或過度換氣的反應。被認為是剛落水時最大的危險因素之一。
國中高中用公式驗證:幾公分厚的冰,能承受幾公斤重?
作為浮冰能承受重量的概略標準,常會用到加拿大研究者戈爾德(Gold)提出的經驗公式。能承受的重量 P(公斤),是冰的厚度 h(公分)的平方,乘上係數 A。係數 A 會隨冰的狀態而變,作為偏安全側的數值,據稱有時會採用3.5左右。這裡就用這個數值來計算。
| 符號 | 意義與單位 |
| P | 能承受重量的大致標準(公斤) |
| h | 透明且無裂縫的冰的厚度(公分) |
| A | 由冰的狀態決定的係數(公斤每平方公分) |
| 公式形式 | P = A × h × h |
| 係數 A(作為偏安全側標準的數值) | 3.5 |
| 白色冰的強度 | 據稱約為透明冰的一半 |
| 一輛轎車的大致重量 | 約1500kg |
| 厚度5cm的平方 | 5 × 5 = 25 |
| 厚度5cm能承受的重量 | 25 × 3.5 = 87.5 |
| 厚度10cm的平方 | 10 × 10 = 100 |
| 厚度10cm能承受的重量 | 100 × 3.5 = 350 |
| 5cm與10cm的差(倍數) | 350 ÷ 87.5 = 4 |
| 同樣10cm但若是白色冰 | 350 ÷ 2 = 175 |
| 厚度21cm的平方 | 21 × 21 = 441 |
| 厚度21cm能承受的重量 | 441 × 3.5 = 1543.5 |
就算厚度只有5公分,依公式計算,也能承受接近一位成人的重量。即便如此,各地的指南之所以會列出「要行走的話,透明冰要有10公分以上」這種遠比公式數值更厚的標準,是因為實際的冰一定會混雜裂縫、氣泡以及較薄的地方。若換算成轎車,計算結果就需要超過20公分的厚度。
高中高中+為什麼會變成「平方」
高中板子彎曲時,厚度的正中央會形成一個既不伸展也不收縮的面,離這個面愈遠,伸展或收縮的程度就愈大。是否會破裂,取決於最外側表面所承受的拉伸強度。
高中+寬度為1的板子所能承受的彎曲程度,與被稱為「截面係數」的量成正比,而在矩形截面中,這個值恰好是厚度平方的六分之一。浮在水上的冰,是在被水從下方頂回的同時彎曲的,嚴格來說更為複雜。即便如此,據稱透過實驗與理論兩方面都已確認,能承受的重量大致與厚度的平方成正比這項關係仍然成立。
大學作為彈性地基上板子的冰
浮著的冰,在材料力學中被視為「置於彈性地基上的板子」。水的作用就像彈簧一樣,會依被壓下的深度成比例地把冰頂回去。板子的抗彎曲程度,與這個水彈簧的強度之比,決定了「特徵長度」,可作為彎曲影響範圍大小的標準。特徵長度與厚度的四分之三次方成正比,因此冰愈厚,能在愈廣的範圍內承受重量。此外,若長時間在同一個地方持續施加重量,冰會緩慢變形(潛變),因此據稱有時短時間內能承受的重量,若長時間停留不動,也可能導致破裂。
研究目前尚未完全明朗的部分
- 係數 A 的決定方式 會因冰的溫度、氣泡量、結晶方向,以及既有裂縫而有很大差異,目前尚無可靠方法能從現場的冰單一確定出係數。
- 快融化的冰的強度 初春時從結晶邊界開始變弱的過程,會因日照與水溫條件而進展方式不同,據稱要預測幾天後會變危險相當困難。
- 暖冬與結冰季節 各地都有報告指出湖泊結冰期間正在縮短,有人指出,當地代代相傳「這個時節就能站上去」的經驗,可能因此不再適用。
也就是說,本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。公式的數值僅供參考,並不保證眼前的冰面是安全的。
與教科書的關聯(依程度區分)
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科「力的作用」「狀態變化」 | 重量作用於面上・水結成冰 |
| 高中 | 物理「力的平衡」「浮力」 | 冰在被水頂回的同時支撐重量 |
| 高中+ | 物理進階「彈性・應力」 | 彎曲時外側表面受力集中,厚度的平方發揮作用 |
| 大學 | 材料力學・雪冰學 | 彈性地基上的板子、特徵長度、潛變 |
| 研究 | 雪冰學・氣候研究 | 係數的變異、融冰期的強度下降、結冰期間的變化 |
| ― | 與生活的關聯 | 靠近冬天的池塘或河川時、遵守冰上釣魚或溜冰區域時 |
- 明尼蘇達州天然資源局(Minnesota DNR)・Ice thickness guidelines
- Gold, L. W. (1971) "Use of plate theory in assessing the bearing capacity of floating ice covers", Canadian Geotechnical Journal 8
- 日本雪氷学会 編『新版 雪氷辞典』(日本雪冰學會 編《新版 雪冰辭典》)古今書院
- Giesbrecht, G. G. 等「冷水に落ちたときの寒冷ショックと自己救助」相關解説(Cold Water Boot Camp 等)
※本文為大眾取向的科學解說。文中列出的數值,僅為理解原理所用的參考、概算值,並不代表特定冰面就是安全的。若要進入冰面,請遵從設施管理人員、消防機關、地方政府等的指示。