World of Physics Patinaj pe gheață De ce este gheața atât de netedă?
Jürgen Vollmer, Ulrich Vetter 22.02.2008
Se pare că a existat puțină sau deloc curiozitate cu privire la semnificația fizică a proprietății unice a gheții. Când mă gândesc la mine este ușor de explicat: gheața era netedă când m-am născut, nu o știam în alt mod și, pe scurt, era netedă, deoarece era gheață.
- Reynolds (1898)
Alunecarea de-a lungul lamelor înguste ale unei patine de gheață este posibilă prin fricțiunea extrem de redusă a solidelor pe gheață. Problema cauzei acestei fricțiuni scăzute a fost plasată pe agenda lumii științifice de Reynolds în 1898. Motivat de lucrările sale fundamentale anterioare asupra efectelor uleiului în angrenaje, Reynolds a sugerat că un strat subțire de apă între gheață și alergători este responsabil pentru fricțiunea redusă.
De unde vine acest strat de apă care permite alunecarea?
Presiunea nu ajută prea mult
Înainte de Reynolds, Joly bănuise deja un strat subțire de apă între gheață și alergător în 1886: el a dat vina pe topirea gheții din cauza presiunii ridicate a alergătorilor pe gheață pentru existența sa. Această explicație are atât de mult farmec încât a bântuit mult timp manualele - dar, din păcate, nu poate fi corectă la o inspecție mai atentă; cel puțin nu fără sprijinul binevoitor din alte cauze mai substanțiale.
Desigur, este adevărat că o creștere locală a presiunii asupra gheții duce la o scădere locală a temperaturii de topire a gheții. În termeni cantitativi, această scădere a punctului de topire indusă de presiune duce doar la un rezultat foarte slab: un patinator care cântărește în jur de 70 kg și alunecă pe patine cu o lungime a lamei de 30 cm și o lățime a lamei de 0,5 mm exercită o presiune de aproximativ 23 de atmosfere pe gheață - cam cât presiunea unui camion complet deplasat pe stradă. Această presiune foarte considerabilă scade punctul de topire al gheții cu doar o cincime de grad! Chiar și la temperaturi de gheață la doar câteva grade sub punctul de îngheț, nu s-ar forma nicio peliculă de apă.
Un alt argument împotriva topirii induse de presiune: Ca rezultat, ar apărea din ce în ce mai multă apă sub alergători atunci când stăteau pe patinele de gheață, iar patinatorul se va scufunda în gheață. Dar asta contrazice în mod evident experiența noastră.
Fricțiunea face mult mai mult
Studiile lui Bowden și Hughes din 1939, ale lui Evans și colegii din 1976 și ale lui von Colbeck din 1995 indică un mecanism complet diferit, mult mai eficient ca fiind cauza formării filmului de apă: căldura de frecare generată atunci când lamele patinului se deplasează pe gheață la o topire semnificativă a gheții la suprafață și creează astfel pelicula subțire de apă observabilă experimental.
Acest mecanism este susținut de faptul că explică diferența dramatică dintre forța de frecare necesară pentru a pune în mișcare o patină de gheață dintr-o oprire (frecare statică) și fricțiunea care acționează pe o patină care a fost mutată o dată (frecare glisantă). Fricțiunea de alunecare pe gheață este redusă la o sutime din frecarea statică imediat ce alunecați. Diferența este că filmul lichid este creat doar de căldura generată în timpul alunecării. În schimb, patinele de gheață ale unui patinator staționar se confruntă cu frecare statică, care este practic aceeași ca și pe alte suprafețe solide netede. Spre deosebire de aceasta, pelicula minusculă de apă indusă de presiunea de contact este la fel de groasă atunci când stați în picioare și alunecați, astfel încât nu există nicio diferență semnificativă între rezistența la frecare statică și la alunecare. Fricțiunea de alunecare pe gheață este redusă la o sutime din frecarea statică imediat ce alunecați.
Dincolo de perspectivele calitative, această explicație permite predicții cantitative care sunt de acord cu observațiile. Cu cantitatea de căldură din fricțiunea de alunecare a patinatorului de 70 kg din exemplul de mai sus, se pot topi până la 12 mm 3 de gheață, în funcție de temperatura gheții, ceea ce ar rezulta într-o peliculă de apă cu o grosime maximă de 40 micrometri. De fapt, filmul este mai subțire, deoarece apa este împinsă în lateral de greutatea patinatorului de pe el și pentru că nu toată căldura de frecare generată poate fi utilizată pentru a topi gheața. O parte din căldură este disipată în sus prin alergători și în jos prin gheață.
Cu toate acestea, pierderea de căldură prin disipare scade odată cu creșterea vitezei, deoarece căldura nu poate curge decât printr-o bucată de gheață în timp ce patina de gheață rulează peste ea. La viteze mai mici, timpul de trecere este mai lung, deci o proporție mai mare din căldură se difuzează în adâncurile gheții. Când alergați rapid, mai puțină căldură se disipează și este utilizată aproape în întregime pentru a topi gheața. Ca rezultat, grosimea filmului de apă crește odată cu creșterea vitezei și frecarea scade brusc, așa cum au observat experimental Evans și colegii săi în 1976.
Cu o alunecare chiar mai rapidă, totuși, fricțiunea crește din nou deoarece, pe de o parte, pelicula de apă nu se mai schimbă semnificativ, pe de altă parte, forța de frecare crește liniar cu viteza conform legii lui Stokes. Deci, există o gamă de viteze de frecare minimă de alunecare. Cu o alegere adecvată a materialului de alergare, a dimensiunii și a formei alergătorului, pentru o anumită temperatură a gheții și o greutate cunoscută a patinatorului, această gamă de frecare minimă poate fi atinsă la viteze de câțiva metri pe secundă, adică mai ales la viteza relevantă pentru patinajul pe gheață.
Schi și săniuș bun!
Fricțiunea de gheață cu alunecare excepțională este cauzată de o peliculă de apă la suprafață. Topirea și „topirea suprafeței” induse de presiune (vezi caseta de mai jos) pot susține formarea acestui film de apă, dar nu sunt dominante sau suficiente în sine. Mai degrabă, factorul decisiv este căldura de frecare generată în timpul alunecării, care topește gheața.
Considerațiile rezumate în acest articol sunt direct aplicabile schiului și săniușului. Pe măsură ce suprafața de contact crește, proporțiile de căldură prin frecare și topirea indusă de presiune în formarea filmului de apă scad în comparație cu topirea suprafeței, dar căldura prin frecare este încă în mod clar dominantă chiar și pentru suprafața de contact a unui schi.
Sârma din blocul de gheață
În legătură cu patinajul, oamenilor le place să se refere la un experiment simplu: un fir de cupru, cu o greutate atașată la fiecare capăt și care este plasat peste un bloc de gheață, se topește prin blocul de gheață în câteva ore. Cu toate acestea, această observație, care este corectă în sine, nu poate fi explicată prin topirea indusă de presiune, se poate vedea deja din faptul că un fir de nailon nu se trage în niciun caz prin blocul de gheață sub presiune. Mai degrabă, conductivitatea termică bună a firului asigură topirea localizată, cu condiția ca greutățile să fie suficient de calde.
Topirea suprafeței
Există o a treia contribuție care contribuie la formarea stratului de apă subțire observat sub paletele patinei: așa-numita „topire de suprafață”. Aceasta înseamnă că chiar și fără un corp (patină de gheață) pe suprafața gheții, se creează un strat de apă pe suprafața gheții, numai datorită diferențelor dintre condițiile de legătură din gheață („în jurul moleculelor de apă”) și de pe suprafața acesteia („numai moleculele de dedesubt și de alături, dar nu deasupra "). Cu toate acestea, acest strat natural de apă are o grosime de doar câțiva nanometri, așa cum au stabilit Dash și colegii săi în 2006. Pentru o reducere vizibilă a fricțiunii de alunecare, pelicula de apă trebuie să fie de aproximativ o sută de ori mai groasă. La fel ca topirea indusă de presiune, topirea suprafeței este un efect pur termodinamic. Dacă se presupune că este efectul dominant în formarea stratului de apă, nu poate explica dependența puternică observată experimental a fricțiunii de alunecare de viteză mai mult decât topirea indusă de presiune.