大家期待已久的《瘋狂動(dòng)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(tuán)中的蛇Gary，猞猁Pawbert以及冰川鎮(zhèn)等等。

還有一些有趣的場(chǎng)景和片段，比如小動(dòng)物舔柱子被凍住等場(chǎng)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(jìn)修過(guò)…

電影中有一段重頭戲是有關(guān)于動(dòng)物城百年紀(jì)念日的片段，這次的豪華派對(duì)發(fā)生在冰川鎮(zhèn)，電影中美麗絢爛的冰雪帝國(guó)讓人瞬間就想到了東北的冰雪大世界。

壯麗的冰雕景觀

對(duì)比一下是不是感覺(jué)冰雪大世界和《瘋狂動(dòng)物城》莫名聯(lián)動(dòng)了？那么，如果要真的將動(dòng)物城的冰川鎮(zhèn)“搬進(jìn)”冰雪大世界呢？有沒(méi)有這種可能呢？下面就一起來(lái)和小編看看冰雪大世界到底是如何做成的吧

開(kāi)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(xué)物理中我們就學(xué)習(xí)過(guò)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(xué)性質(zhì)的系統(tǒng)或系統(tǒng)的一部分。

一個(gè)最常見(jiàn)的例子就是水：液態(tài)水既可以通過(guò)降溫結(jié)成冰，也可以通過(guò)加熱蒸發(fā)為水蒸氣。這兩個(gè)相變過(guò)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(chēng)為非連續(xù)相變或一級(jí)相變。

那么，為什么會(huì)發(fā)生相變？為什么水會(huì)結(jié)冰？

水結(jié)冰的過(guò)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(shì)：物體傾向于處于能量最低、最穩(wěn)定的狀態(tài)，在結(jié)冰過(guò)程中，我們關(guān)注的是分子勢(shì)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(guò)程總是朝著熵增加（變得更混亂）的方向進(jìn)行。

自然界的物質(zhì)有自發(fā)地達(dá)到能量最低狀態(tài)的傾向，但是這里所說(shuō)的能量并不是水或者冰的內(nèi)能，而是在保持溫度和壓強(qiáng)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(guò)程中，會(huì)釋放出大量的能量（潛熱），導(dǎo)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(jí)相變相比，在臨界點(diǎn)，并沒(méi)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(guò)臨界點(diǎn)的過(guò)程稱(chēng)為連續(xù)相變或二級(jí)相變。例如鐵磁順磁相變、零磁場(chǎng)下金屬超導(dǎo)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(shí)，小磁針?lè)较蛞恢?，有序性變高，?duì)稱(chēng)性破缺，表現(xiàn)為鐵磁性；當(dāng)溫度升高時(shí)，小磁針?lè)较虻碾S機(jī)性會(huì)變得越來(lái)越強(qiáng)，溫度超過(guò)某一臨界值時(shí)，磁矩的排列完全失去了同向性，有序性變低，對(duì)稱(chēng)性很強(qiáng)，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(kāi)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(shí)，空氣來(lái)不及逸出會(huì)被凍結(jié)在冰中，當(dāng)光線照射到這些氣泡上會(huì)發(fā)生漫反射，使得冰看起來(lái)不透明。冰雪大世界會(huì)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(shí)間排出，一般來(lái)說(shuō)，冰塊的尺寸約為寬30-40公分，長(zhǎng)50-60公分。

（2）修整與壘砌：使用電鋸對(duì)采集來(lái)的冰塊進(jìn)行進(jìn)一步修整，形成棱角分明的標(biāo)準(zhǔn)冰塊。然后，將這些冰塊壘砌起來(lái)，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(shí)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(chēng)立體造像，指不附著在任何背景上，完全獨(dú)立的可以四面欣賞的冰雕；2、浮雕——即淺雕凸雕，在實(shí)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(huà)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(qiáng)。

圓雕

浮雕

透雕

（6）修整：當(dāng)?shù)窨坦ぷ魍瓿珊螅皶r(shí)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(lái)冰雕就失去了原有的清透感，破壞了冰雕原本的特點(diǎn)，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(dāng)光線從空氣照射到光滑的冰表面時(shí)，大部分光會(huì)發(fā)生鏡面反射，小部分會(huì)進(jìn)入冰內(nèi)部發(fā)生折射和散射。這樣一來(lái)，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(lái)的效果。因此，冰雕看起來(lái)更像一個(gè)“閃亮的物體”，而不是一個(gè)“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(shí)光會(huì)將整個(gè)冰雕照亮，不僅可以讓它變得五顏六色，同時(shí)也不會(huì)失去通透感。那么，在這個(gè)過(guò)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(jiàn)卻又奇特的光學(xué)現(xiàn)象——全反射。

而要理解全反射，我們首先需要了解兩個(gè)更基礎(chǔ)的光學(xué)現(xiàn)象：折射和反射。折射是指當(dāng)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(shí)，傳播方向會(huì)發(fā)生改變。而反射則是指當(dāng)光射到兩種介質(zhì)的交界面上時(shí)，總有一部分光會(huì)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(guò)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(dāng)入射角大于某一臨界角時(shí)，折射角就會(huì)大于90°，入射光將全部折回原來(lái)的介質(zhì)，不再進(jìn)入到光疏媒質(zhì)里去，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為全反射。

光從水中入射到空氣中時(shí)，發(fā)生的全反射現(xiàn)象

比如，全反射在我們生活中應(yīng)用最多的場(chǎng)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(jìn)入光纖就會(huì)形成全反射，光線會(huì)一直到達(dá)另一端，這意味著光可以在光纖中長(zhǎng)距離運(yùn)輸，無(wú)論光纖本身是什么形狀，全反射會(huì)在較高折射率的玻璃和較低折射率的空氣間發(fā)生。

簡(jiǎn)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(guò)程中，會(huì)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(yuǎn)而不會(huì)明顯衰減。這使得整個(gè)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(lán)等各色光在晶瑩的冰體中交融、傳導(dǎo)，最終呈現(xiàn)出夢(mèng)幻般的色彩，這是外部打光永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)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(gè)重要步驟。盡管哈爾濱的溫度冬季常年在零下負(fù)十幾度，但是來(lái)自地面、太陽(yáng)輻射以及空氣對(duì)流的熱傳導(dǎo)仍然有可能影響冰雕的保存。

我們先來(lái)看一下可能對(duì)冰雕導(dǎo)熱的三個(gè)主要因素：

（1）來(lái)自地面的熱傳導(dǎo)：地面的溫度通常會(huì)高于環(huán)境溫度，地面與冰雕直接接觸，根據(jù)熱力學(xué)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(dǎo)給冰。

（2）來(lái)自太陽(yáng)的熱輻射：任何物體都會(huì)以電磁波的形式向外輻射能量。太陽(yáng)作為一個(gè)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(dǎo)致溫度升高融化，這是一個(gè)非接觸式的傳熱過(guò)程，即使在真空中也能進(jìn)行。

（3）來(lái)自空氣的熱對(duì)流：這是流體中由于溫度差導(dǎo)致密度差，從而引發(fā)流體宏觀運(yùn)動(dòng)并傳遞熱量的過(guò)程。周?chē)呐諝馀c冰雕表面的冷空氣之間存在溫差，暖空氣密度小會(huì)上升，冷空氣密度大會(huì)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(huì)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(duì)流的影響，而且冰雕師傅經(jīng)常在沒(méi)有人觀賞的時(shí)候給冰雕加上保溫棉和隔熱層，對(duì)冰雕進(jìn)行進(jìn)一步的維護(hù)和保護(hù)。

根據(jù)一通分析來(lái)看，在冰雪大世界建個(gè)冰川鎮(zhèn)還是有可能的，小編能否許個(gè)愿，爾濱能否和瘋狂動(dòng)物城進(jìn)行聯(lián)名呢？！

圖片由AI生成

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪志誠(chéng).熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)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(xué)教程[M].高等教育出版社.2019.

編輯：悅悅

本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“中科院物理所”