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冰雪大世界疑似"現實版"冰川鎮?合理懷疑《瘋狂動物城》靈感來自東北
冰雪大世界疑似"現實版"冰川鎮?合理懷疑《瘋狂動物城》靈感來自東北冰雪大世界疑似"現實版"冰川鎮?合理懷疑《瘋狂動物城》靈感來自東北
大家期待已久的《瘋狂動物城2》在11月26日上映，第贰部的電影中加入了許多新的角色和元素，比如主角團中的蛇Gary，猞猁Pawbert以及冰川鎮等等。
還有壹些有趣的場景和片段，比如小動物舔柱子被凍住等場景都讓小編聯想到了東北，比如東北的冰雪大世界、傳統舔柱子技能，合理懷疑迪斯尼去東北進修過…
電影中有壹段重頭戲是有關於動物城百年紀念日的片段，這次的豪華派對發生在冰川鎮，電影中美麗絢爛的冰雪帝國讓人瞬間就想到了東北的冰雪大世界。
壯麗的冰雕景觀
對比壹下是不是感覺冰雪大世界和《瘋狂動物城》莫名聯動了？那麼，如果要真的將動物城的冰川鎮“搬進”冰雪大世界呢？有沒有這種可能呢？下面就壹起來和小編看看冰雪大世界到底是如何做成的吧
開始胡扯
01
原材料的制作——水-冰相變
為了制作冰雕，我們第壹步就需要獲得大量的原材料——冰。
在中學物理中我們就學習過物質基礎的叁種狀態——固相、液相和氣相，他們之間可以相互轉換。
而所謂的相，指的就是被壹定邊界包圍,具有確定而均勻的物理和化學性質的系統或系統的壹部分。
壹個最常見的例子就是水：液態水既可以通過降溫結成冰，也可以通過加熱蒸發為水蒸氣。這兩個相變過程(液相到固相、液相到氣相)都伴隨著某些宏觀物理量(例如密度)的突變，被稱為非連續相變或壹級相變。
那麼，為什麼會發生相變？為什麼水會結冰？
水結冰的過程中主要受到能量的影響，主要分為兩部分：
（1）能量最低趨勢：物體傾向於處於能量最低、最穩定的狀態，在結冰過程中，我們關注的是分子勢能；（2）熵增S：系統傾向於變得越混亂越好，自然界自發過程總是朝著熵增加（變得更混亂）的方向進行。
自然界的物質有自發地達到能量最低狀態的傾向，但是這裡所說的能量並不是水或者冰的內能，而是在保持溫度和壓強恒定的情況下，系統的吉布斯自由能G。
而吉布斯自由能
GHTS，其中H主要由分子勢能決定，S代表熵，只要變化後系統的吉布斯自由能降低了?G，這個過程就能自發發生
而在水結冰的過程中，會釋放出大量的能量（潛熱），導致系統整體的能量
H降低 （H），同時冰的無序程度比水要小，S也會降低（S）。因此，如果溫度凝固點0 ℃以下，那吉布斯自由能也會下降（G= ?HTS），結冰過程就可以自發發生。
水的相圖
而與上面水-冰相變的壹級相變相比，在臨界點，並沒有任何物理量發生不連續的變化，但是某些物理量(如壓縮系數)發散，在臨界溫度之上，氣液不可分。物質經過臨界點的過程稱為連續相變或贰級相變。例如鐵磁順磁相變、零磁場下金屬超導態和正常態的轉變等。
而以鐵為例，鐵原子具有磁矩，溫度降低時，小磁針方向壹致，有序性變高，對稱性破缺，表現為鐵磁性；當溫度升高時，小磁針方向的隨機性會變得越來越強，溫度超過某壹臨界值時，磁矩的排列完全失去了同向性，有序性變低，對稱性很強，表現為順磁性。
鐵磁順磁相變
02
冰雕的創作步驟
有了原材料冰之後就開始制作冰雕了，小編將冰雕的制作步驟歸納為下面六步：
（1）采冰：如果水中有大量氣泡或者雜質，在快速凍結時，空氣來不及逸出會被凍結在冰中，當光線照射到這些氣泡上會發生漫反射，使得冰看起來不透明。冰雪大世界會使用去除了雜質和空氣的純淨水，並采用緩慢凍結的方式，讓空氣有足夠時間排出，壹般來說，冰塊的尺寸約為寬30-40公分，長50-60公分。
（2）修整與壘砌：使用電鋸對采集來的冰塊進行進壹步修整，形成棱角分明的標准冰塊。然後，將這些冰塊壘砌起來，形成叁層厚度的底座。冰塊直接用冷水澆築，可以粘合在壹起。
（3）打磨拋光：將底座表面打磨拋光修平，以增加光亮度。
（4）選擇與疊放：選好需要雕刻的冰塊，並將它們疊放到壹起，用冷水粘合。
（5）雕刻：雕刻時按照自己的構思逐步雕刻。冰雕的雕刻方式分為叁種：1、圓雕——又稱立體造像，指不附著在任何背景上，完全獨立的可以肆面欣賞的冰雕；2、浮雕——即淺雕凸雕，在實體的表面上雕刻出具有背景的形象，也就是在平面上雕出凸起的形象，是介於圓雕和繪畫之間的雕塑藝術；3、透雕——鏤空浮雕的背景，它介於圓雕與浮雕之間，空間感很強。
圓雕
浮雕
透雕
（6）修整：當雕刻工作完成後，及時清理堆積的冰屑
03
冰雕是如何變得絢爛多彩的呢？
在哈爾濱的冰雪大世界中，除了晶瑩剔透、形態各異的冰雕外，更多的是伍彩繽紛的的冰雕，那這些顏色到底是如何上色的呢？
最直接的想法是直接把想要的顏色塗抹在透明冰雕上，比如下面這樣：
但是這樣看起來冰雕就失去了原有的清透感，破壞了冰雕原本的特點，而另壹種方法是用燈光照射冰雕。
如果從外部打燈照射冰雕，當光線從空氣照射到光滑的冰表面時，大部分光會發生鏡面反射，小部分會進入冰內部發生折射和散射。這樣壹來，人們主要看到的是光源在冰面上的反射像，而不是光線穿透冰體帶來的效果。因此，冰雕看起來更像壹個“閃亮的物體”，而不是壹個“發光的物體”。
但是如果我們將光源放在冰雕的內部，此時光會將整個冰雕照亮，不僅可以讓它變得伍顏六色，同時也不會失去通透感。那麼，在這個過程中，光線又是如何在冰雕內部傳播的呢？
要了解背後的原理，我們就需要先明白壹種常見卻又奇特的光學現象——全反射。
而要理解全反射，我們首先需要了解兩個更基礎的光學現象：折射和反射。折射是指當光從壹種介質（比如空氣）斜射入另壹種介質（比如水或冰）時，傳播方向會發生改變。而反射則是指當光射到兩種介質的交界面上時，總有壹部分光會返回原介質的現象。
折射與反射
而全反射現象則是發生在光從光密介質到光疏介質的過程中，折射角隨著入射角的增大而增大，並且折射角總要大於入射角。因此，當入射角大於某壹臨界角時，折射角就會大於90°，入射光將全部折回原來的介質，不再進入到光疏媒質裡去，這種現象就稱為全反射。
光從水中入射到空氣中時，發生的全反射現象
比如，全反射在我們生活中應用最多的場景之壹就發生在光纖中，如果激光以超越臨界角的角度進入光纖就會形成全反射，光線會壹直到達另壹端，這意味著光可以在光纖中長距離運輸，無論光纖本身是什麼形狀，全反射會在較高折射率的玻璃和較低折射率的空氣間發生。
簡單的光纖示意圖
而現代冰雪大世界使用彩色LED燈。由於冰的折射率比空氣大，由冰（光密）到空氣（光疏）的過程中，會發生全反射，由於全反射效率極高，光能量損失很小，所以彩色光能在冰內部傳播很遠而不會明顯衰減。這使得整個冰雕呈現出均勻、飽和、鮮艷的色彩，而不是只有光源附近才亮。
紅、綠、藍等各色光在晶瑩的冰體中交融、傳導，最終呈現出夢幻般的色彩，這是外部打光永遠無法達到的效果。
04
最後壹步——給冰雕隔熱
在做好冰雕後，防止冰雕熔化也是冰雕師傅們需要考慮的壹個重要步驟。盡管哈爾濱的溫度冬季常年在零下負拾幾度，但是來自地面、太陽輻射以及空氣對流的熱傳導仍然有可能影響冰雕的保存。
我們先來看壹下可能對冰雕導熱的叁個主要因素：
（1）來自地面的熱傳導：地面的溫度通常會高於環境溫度，地面與冰雕直接接觸，根據熱力學第壹定律，熱量從高溫部分向低溫部分傳遞，熱量被源源不斷地從大地傳導給冰。
（2）來自太陽的熱輻射：任何物體都會以電磁波的形式向外輻射能量。太陽作為壹個巨大的熱輻射源，其能量被冰吸收後，轉化為冰的內能，導致溫度升高融化，這是壹個非接觸式的傳熱過程，即使在真空中也能進行。
（3）來自空氣的熱對流：這是流體中由於溫度差導致密度差，從而引發流體宏觀運動並傳遞熱量的過程。周圍的暖空氣與冰雕表面的冷空氣之間存在溫差，暖空氣密度小會上升，冷空氣密度大會下沉，形成空氣循環，不斷將熱量“沖刷”給冰雕。
因此，冰雕展往往會選擇在哈爾濱這種冬季溫度極低的地區舉辦，從而減少熱輻射和熱對流的影響，而且冰雕師傅經常在沒有人觀賞的時候給冰雕加上保溫棉和隔熱層，對冰雕進行進壹步的維護和保護。
根據壹通分析來看，在冰雪大世界建個冰川鎮還是有可能的，小編能否許個願，爾濱能否和瘋狂動物城進行聯名呢？！
圖片由AI生成
參考文獻：
[1] 汪志誠.熱力學與統計物理[M].高等教育出版社.2020.
[2] 鄭金男.冰雕藝術制作和技法研究[J].天工,2022,(27):44-46.
[3] 姚啟鈞.光學教程[M].高等教育出版社.2019.
編輯：悅悅
本文轉載自公眾號“中科院物理所”
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