大家期待已久的《瘋狂動物城2》在11月26日上映，第二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(zhèn)等等。

還有一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(lián)想到了東北，比如東北的冰雪大世界、傳統(tǒng)舔柱子技能，合理懷疑迪斯尼去東北進修過…

電影中有一段重頭戲是有關(guān)于動物城百年紀念日的片段，這次的豪華派對發(fā)生在冰川鎮(zhèn)，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

對比一下是不是感覺冰雪大世界和《瘋狂動物城》莫名聯(lián)動了？那么，如果要真的將動物城的冰川鎮(zhèn)“搬進”冰雪大世界呢？有沒有這種可能呢？下面就一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，我們第一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(zhì)基礎(chǔ)的三種狀態(tài)——固相、液相和氣相，他們之間可以相互轉(zhuǎn)換。

而所謂的相，指的就是被一定邊界包圍,具有確定而均勻的物理和化學性質(zhì)的系統(tǒng)或系統(tǒng)的一部分。

一個最常見的例子就是水：液態(tài)水既可以通過降溫結(jié)成冰，也可以通過加熱蒸發(fā)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(xù)相變或一級相變。

那么，為什么會發(fā)生相變？為什么水會結(jié)冰？

水結(jié)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：物體傾向于處于能量最低、最穩(wěn)定的狀態(tài)，在結(jié)冰過程中，我們關(guān)注的是分子勢能；（2）熵增S：系統(tǒng)傾向于變得越混亂越好，自然界自發(fā)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(zhì)有自發(fā)地達到能量最低狀態(tài)的傾向，但是這里所說的能量并不是水或者冰的內(nèi)能，而是在保持溫度和壓強恒定的情況下，系統(tǒng)的吉布斯自由能G。

而吉布斯自由能

G

H

TS

H

S

而在水結(jié)冰的過程中，會釋放出大量的能量（潛熱），導致系統(tǒng)整體的能量

H

S

水的相圖

而與上面水-冰相變的一級相變相比，在臨界點，并沒有任何物理量發(fā)生不連續(xù)的變化，但是某些物理量(如壓縮系數(shù))發(fā)散，在臨界溫度之上，氣液不可分。物質(zhì)經(jīng)過臨界點的過程稱為連續(xù)相變或二級相變。例如鐵磁順磁相變、零磁場下金屬超導態(tài)和正常態(tài)的轉(zhuǎn)變等。

而以鐵為例，鐵原子具有磁矩，溫度降低時，小磁針方向一致，有序性變高，對稱性破缺，表現(xiàn)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，溫度超過某一臨界值時，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(xiàn)為順磁性。

鐵磁順磁相變

02

冰雕的創(chuàng)作步驟

有了原材料冰之后就開始制作冰雕了，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(zhì)，在快速凍結(jié)時，空氣來不及逸出會被凍結(jié)在冰中，當光線照射到這些氣泡上會發(fā)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(zhì)和空氣的純凈水，并采用緩慢凍結(jié)的方式，讓空氣有足夠時間排出，一般來說，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一步修整，形成棱角分明的標準冰塊。然后，將這些冰塊壘砌起來，形成三層厚度的底座。冰塊直接用冷水澆筑，可以粘合在一起。

（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，并將它們疊放到一起，用冷水粘合。

（5）雕刻：雕刻時按照自己的構(gòu)思逐步雕刻。冰雕的雕刻方式分為三種：1、圓雕——又稱立體造像，指不附著在任何背景上，完全獨立的可以四面欣賞的冰雕；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，是介于圓雕和繪畫之間的雕塑藝術(shù)；3、透雕——鏤空浮雕的背景，它介于圓雕與浮雕之間，空間感很強。

圓雕

浮雕

透雕

（6）修整：當?shù)窨坦ぷ魍瓿珊?，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(tài)各異的冰雕外，更多的是五彩繽紛的的冰雕，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涂抹在透明冰雕上，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，而另一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(fā)生鏡面反射，小部分會進入冰內(nèi)部發(fā)生折射和散射。這樣一來，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，冰雕看起來更像一個“閃亮的物體”，而不是一個“發(fā)光的物體”。

但是如果我們將光源放在冰雕的內(nèi)部，此時光會將整個冰雕照亮，不僅可以讓它變得五顏六色，同時也不會失去通透感。那么，在這個過程中，光線又是如何在冰雕內(nèi)部傳播的呢？

要了解背后的原理，我們就需要先明白一種常見卻又奇特的光學現(xiàn)象——全反射。

而要理解全反射，我們首先需要了解兩個更基礎(chǔ)的光學現(xiàn)象：折射和反射。折射是指當光從一種介質(zhì)（比如空氣）斜射入另一種介質(zhì)（比如水或冰）時，傳播方向會發(fā)生改變。而反射則是指當光射到兩種介質(zhì)的交界面上時，總有一部分光會返回原介質(zhì)的現(xiàn)象。

折射與反射

而全反射現(xiàn)象則是發(fā)生在光從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)的過程中，折射角隨著入射角的增大而增大，并且折射角總要大于入射角。因此，當入射角大于某一臨界角時，折射角就會大于90°，入射光將全部折回原來的介質(zhì)，不再進入到光疏媒質(zhì)里去，這種現(xiàn)象就稱為全反射。

光從水中入射到空氣中時，發(fā)生的全反射現(xiàn)象

比如，全反射在我們生活中應用最多的場景之一就發(fā)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，光線會一直到達另一端，這意味著光可以在光纖中長距離運輸，無論光纖本身是什么形狀，全反射會在較高折射率的玻璃和較低折射率的空氣間發(fā)生。

簡單的光纖示意圖

而現(xiàn)代冰雪大世界使用彩色LED燈。由于冰的折射率比空氣大，由冰（光密）到空氣（光疏）的過程中，會發(fā)生全反射，由于全反射效率極高，光能量損失很小，所以彩色光能在冰內(nèi)部傳播很遠而不會明顯衰減。這使得整個冰雕呈現(xiàn)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(xiàn)出夢幻般的色彩，這是外部打光永遠無法達到的效果。

04

最后一步——給冰雕隔熱

在做好冰雕后，防止冰雕熔化也是冰雕師傅們需要考慮的一個重要步驟。盡管哈爾濱的溫度冬季常年在零下負十幾度，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。

我們先來看一下可能對冰雕導熱的三個主要因素：

（1）來自地面的熱傳導：地面的溫度通常會高于環(huán)境溫度，地面與冰雕直接接觸，根據(jù)熱力學第一定律，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。太陽作為一個巨大的熱輻射源，其能量被冰吸收后，轉(zhuǎn)化為冰的內(nèi)能，導致溫度升高融化，這是一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：這是流體中由于溫度差導致密度差，從而引發(fā)流體宏觀運動并傳遞熱量的過程。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(huán)，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(qū)舉辦，從而減少熱輻射和熱對流的影響，而且冰雕師傅經(jīng)常在沒有人觀賞的時候給冰雕加上保溫棉和隔熱層，對冰雕進行進一步的維護和保護。

根據(jù)一通分析來看，在冰雪大世界建個冰川鎮(zhèn)還是有可能的，小編能否許個愿，爾濱能否和瘋狂動物城進行聯(lián)名呢？！

圖片由AI生成

參考文獻：

[1] 汪志誠.熱力學與統(tǒng)計物理[M].高等教育出版社.2020.

[2] 鄭金男.冰雕藝術(shù)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(zhuǎn)載自公眾號“中科院物理所”