Oricine știe că gheața este alunecoasă, dar care e motivul pentru care alunecăm pe gheață? Poate părea o întrebare simplă, dar nu este deloc. În fapt această întrebare a fost dezbătută pentru 100 de ani, fără un răspuns mulţumitor. Nu, nu are legătură cu faptul că gheața este lucioasă, pentru că sunt nenumărate suprafețe lucioase, cum ar fi, de pildă, parchetul, dar nu alunecăm pe el (ori cel puțin nu ca pe gheață).
Cel mai prezent răspuns atunci când se vorbeşte despre motivul pentru care gheaţa este lunecoasă este următorul: „Gheața are deasupra ei un strat foarte subțire de apă pe care alunecăm. Stratul se formează prin topirea gheții. De exemplu, dacă stăm pe gheață apăsăm cu toată greutatea noastră pe ea. Din cauza presiunii, temperatura de topire a gheții scade, iar gheața ajunge să se topească puțin. La fel când ne dăm cu patine. Datorită frecării, producem căldură, așa cum producem atunci când ne frecăm mâinile. Din cauza căldurii, gheața iarăși începe să se topească.” (sursa).
Dar acest răspuns este greșit. E drept, încă o dată, acest răspuns poate fi găsit în multe articole, chiar de specialitate. Unul dintre contributorii de valoare de pe secțiunea Q&A a site-ului explică foarte bine de ce această abordare nu poate fi corectă: „Pentru că alunecarea pe gheață se produce și la temperaturi mult mai coborîte, la care presiunea nu mai poate explica topirea gheții. De exemplu patinele produc o presiune la care punctul de topire scade doar cu cîteva sutimi de grad, or patinele alunecă și la multe grade sub 0°C. Iar la încălțămintea obișnuită suprafața de contact e și mai mare decît la patine, deci coborîrea temperaturii de topire e și mai mică, și totuși alunecăm pe gheață.”
Și atunci care e răspunsul? De ce e gheaţa alunecoasă?
O echipă de cercetători condusă de frații Daniel și Mischa Bonn au demonstrat că frecarea la suprafaţa gheţii este mai complexă decât s-a presupus până acum.
Prin intermediul unor experimente la temperaturi cuprinse între 0° C și -100° C, cercetătorii au arătat că gheaţa are proprietăţi diferite, sub aspectul indicelui de frecare. Suprafața gheţii este extrem de alunecoasă la anumite temperaturi (tipice pentru cele folosite în sporturile de iarnă), dar frecarea este foarte ridicată la temperatura de -100° C.
Cercetătorii au efectuat măsurări spectroscopice ale stării moleculelor de apă la suprafața gheţii și le-au comparat cu simulările dinamicii moleculare (MD). Această combinație de experiment și teorie relevă că două tipuri de molecule de apă există la suprafața gheții: molecule de apă care sunt lipite de gheața (prin trei legături de hidrogen) și molecule de apă mobile (legate prin doar două legături de hidrogen). Aceste molecule mobile de apă se rostogolesc continuu pe gheață, ca nişte sfere minuscule, alimentate de vibrații termice.
Când temperatura crește peste -70° C, numărul de molecule mobile de apă creşte, iar numărul celor fixate de suprafaţa gheţii scade.
Această schimbare determinată de temperatură în mobilitatea moleculelor de apă de la suprafața gheţii se potrivește perfect cu dependența de temperatură a forței de frecare măsurate: cu cât mobilitatea este mai mare la suprafață, cu atât frecarea este mai mică și invers.
Prin urmare, cercetătorii concluzionează că mobilitatea ridicată a moleculelor de apă de suprafață este responsabilă pentru faptul că gheaţa este alunecoasă.
Deși mobilitatea suprafeței continuă să crească până la 0° C, aceasta nu este temperatura ideală pentru cea mai bună experienţă pe gheaţă (pentru patinat, de exemplu). Experimentele arată că frecarea este de fapt minimă la -7° C; exact aceeași temperatură este utilizată de către patinoarele de viteză. Cercetătorii arată că la temperaturi cuprinse între -7° C și 0° C, alunecarea este mai dificilă, deoarece gheața devine mai moale, ceea ce face ca obiectul glisant să intre mai adânc în gheață.
Rezultatele cercetării au fost publicate în Journal of Physical Chemistry Letters
Sursa: The Slipperiness of Ice Explained
