A fizika világa Korcsolyázás Miért olyan sima a jég?
Jürgen Vollmer, Ulrich Vetter 2008.02.22
Úgy tűnik, alig vagy egyáltalán nem kíváncsiak a jég egyedi tulajdonságának fizikai jelentésére. Amikor magamra gondolok, ezt könnyű megmagyarázni: a jég sima volt, amikor megszülettem, nem tudtam másként, és röviden szólva, sima volt, mert jég volt.
- Reynolds (1898)
A korcsolya keskeny pengéin történő siklást a szilárd anyagok rendkívül alacsony súrlódása teszi lehetővé a jégen. Ennek az alacsony súrlódásnak a kérdését Reynolds tette fel a tudományos világ napirendjére 1898-ban. A fogaskerekek olajának hatásaira vonatkozó korábbi alapvető munkája motiválta Reynolds azt javasolta, hogy a jég és a futók közötti vékony vízréteg felelős az alacsony súrlódásért.
Honnan származik ez a vízréteg, amely lehetővé teszi a siklást?
A nyomás nem sokat segít
Reynolds előtt Joly már 1886-ban gyanította, hogy egy vékony vízréteg van a jég és a futó között: a jégen futók nagy nyomása miatt a jég megolvadását okolta a létezéséért. Ez a magyarázat annyira bájos, hogy sokáig kísértette a tankönyveket - de közelebbről megvizsgálva sajnos nem lehet helyes; legalábbis nem más jóindulatúbb okok jóindulatú támogatása nélkül.
Természetesen igaz, hogy a jégre gyakorolt helyi nyomásnövekedés a jég olvadási hőmérsékletének helyi csökkenéséhez vezet. Mennyiségi szempontból ez az olvadáspont nyomás okozta csökkentése csak nagyon gyenge eredményhez vezet: egy 70 kg körüli súlyú korcsolyázó, aki 30 cm pengehosszúságú és 0,5 mm pengés szélességű korcsolyán csúszik, körülbelül 23 atmoszféra nyomást gyakorol a jégre. - körülbelül annyi, mint egy teljesen összecsomagolt mozgó teherautó nyomása az utcán. Ez a nagyon jelentős nyomás csupán ötöd fokkal csökkenti a jég olvadáspontját! Csak néhány fokkal fagypont alatti jéghőmérsékleten sem képződik vízfólia.
Egy másik érv a nyomás okozta olvadás ellen: Ennek eredményeként egyre több víz keletkezik a futók alatt, amikor jégkorcsolyán áll, és a korcsolyázó a jégbe süllyed. De ez nyilvánvalóan ellentmond a tapasztalatainknak.
A súrlódás sokkal többet tesz
Bowden és Hughes 1939-ből származó tanulmányai, Evans és munkatársai 1976-tól, valamint von Colbeck 1995-től egészen más, sokkal hatékonyabb mechanizmusra mutatnak rá, mint a vízréteg kialakulásának okára: a korcsolyapengék jégen való elmozdulásakor keletkező súrlódási hőre. a jég jelentős megolvadására a felszínen, és ezáltal létrehozza a kísérletileg megfigyelhető vékony vízréteget.
Ezt a mechanizmust támasztja alá az a tény, hogy megmagyarázza a drámai különbséget a jégkorcsolya álló helyzetből történő mozgatásához szükséges súrlódási erő (statikus súrlódás) és a mozgatott korcsolyára ható súrlódás (csúszó súrlódás) között. A csúszó súrlódás a jégen a statikus súrlódás századára csökken, amint csúszik. A különbség az, hogy a folyékony fóliát csak a csúszás során keletkező hő hozza létre. Ezzel szemben az álló korcsolyázók korcsolyái statikus súrlódást tapasztalnak, amely gyakorlatilag megegyezik a többi sima szilárd felületen tapasztalható súrlódással. Ezzel szemben az érintkezési nyomás által kiváltott apró vízfólia állva és csúszva egyaránt vastag, így nincs jelentős különbség a statikus és a csúszó súrlódás erőssége között. A csúszó súrlódás a jégen a statikus súrlódás századára csökken, amint csúszik.
A kvalitatív meglátáson túlmenően ez a magyarázat kvantitatív előrejelzéseket tesz lehetővé, amelyek jól egyeznek a megfigyelésekkel. A fenti példában szereplő 70 kg-os korcsolyázó csúszó súrlódásából származó hőmennyiség mellett akár 12 mm 3 jég is megolvadhat, a jég hőmérsékletétől függően, ami legfeljebb 40 mikrométer vastagságú vízfóliát eredményezne. Valójában a film vékonyabb, mert a vizet oldalra tolja a rajta lévő korcsolyázó súlya, és mivel a keletkező súrlódási hőből nem lehet minden felhasználni a jég megolvasztására. A hő egy része a futókon keresztül felfelé, a jégen pedig lefelé oszlik el.
Az eloszlás által okozott hőveszteség azonban növekvő sebességgel csökken, mivel a hő csak egy jégdarabon keresztül tud elfolyni, miközben a korcsolya rajta fut. Alacsonyabb sebességnél az átkelési idő hosszabb, ezért a hő nagyobb hányada diffundál a jég mélyére. Gyors futás esetén a kevesebb hő elvezet, és szinte teljes egészében a jég megolvasztására szolgál. Ennek eredményeként a vízfólia vastagsága növekszik a sebességgel, és a súrlódás meredeken csökken, ahogy Evans és munkatársai kísérletileg megfigyelték 1976-ban.
A még gyorsabb siklás mellett azonban a súrlódás ismét növekszik, mert egyrészt a vízfólia már nem változik jelentősen, másrészt a súrlódási erő a Stokes-törvény szerint lineárisan növekszik a sebességgel. Tehát van egy minimális csúszó súrlódási sebességtartomány. A penge anyagának, penge méretének és alakjának megfelelő megválasztásával, adott jéghőmérséklet és a korcsolyázó ismert súlya mellett ez a minimális csúszó súrlódási terület elérhető néhány méter/másodperces sebességgel, vagyis a korcsolyázás szempontjából releváns sebességgel.
Sí és szánkó jó!
A jég kivételesen alacsony csúszó súrlódását a felszínen lévő vízréteg okozza. A nyomás okozta olvadás és a "felületi olvadás" (lásd az alábbi keretet) támogathatja ennek a vízrétegnek a kialakulását, de önmagukban nem dominánsak vagy elégségesek. Inkább a döntő tényező a siklás során keletkező súrlódási hő, amely megolvasztja a jeget.
Az ebben a cikkben összefoglalt szempontok közvetlenül alkalmazhatók a síelésre és a szánkózásra. Az érintkezési felület növekedésével a súrlódási hő és a nyomás által kiváltott olvadás aránya a vízréteg kialakulásában csökken a felületi olvadáshoz képest, de a súrlódási hő még a sí érintkezési felülete esetében is egyértelműen domináns.
A vezeték a jégtömbben
A korcsolyázás kapcsán az emberek előszeretettel hivatkoznak egy egyszerű kísérletre: a rézdrót, amelynek mindkét végén súlya van, és amelyet egy jégtömb fölé helyeznek, néhány óra alatt megolvad a jégtömbön. De hogy ez a megfigyelés, amely önmagában helyes, nem magyarázható a nyomás okozta olvadással, már abból is kiderül, hogy egy nejlonszál semmiképpen sem húzza át magát a jégtömbön nyomás alatt. Inkább a huzal jó hővezető képessége biztosítja a lokalizált olvadást, feltéve, hogy a súlyok elég melegek.
Felszíni olvadás
Van egy harmadik hozzájárulás, amely hozzájárul a megfigyelt vékony vízréteg kialakulásához a korcsolyapengék alatt: az úgynevezett "felületi olvadás". Ez azt jelenti, hogy test (jégkorcsolya) nélkül is a jégfelületen vízréteg jön létre a jégfelszínen, kizárólag a jégben ("a vízmolekulák körül") és a felszínén ("csak alatta és a szomszédban, de nem fentebb "). Ez a természetes vízréteg azonban csak néhány nanométer vastag, amint azt Dash és munkatársai 2006-ban megállapították. A csúszó súrlódás észrevehető csökkenése érdekében a vízfóliának körülbelül százszor vastagabbnak kell lennie. A nyomás okozta olvadáshoz hasonlóan a felületi olvadás is pusztán termodinamikai hatás. Ha állítólag ez a domináns hatás a vízréteg kialakulásában, akkor nem tudja megmagyarázni a csúszó súrlódás kísérletileg megfigyelt erős függését a sebességtől, mint a nyomás okozta olvadás.