Блог на пенсионерите Защо ледът е толкова хлъзгав
Блог за Бог и света
Събота, 17 февруари 2018 г.
Защо ледът е толкова хлъзгав?
На настоящите зимни олимпийски игри някои може да се чудят защо кънките и ските се плъзгат толкова добре. И отговорът изглежда очевиден: точно както маслото намалява триенето на скоростната кутия на автомобила, тънък слой вода върху повърхността на леда насърчава плъзгането на ски и кънки на лед. Този отговор по принцип е верен, но води до следващия въпрос:
Откъде идва този слой вода, който позволява плъзгане?
Топене под налягане Отговор на този въпрос се предлага и днес в някои учебници по физика в гимназията - но той е погрешен. Там понякога твърдят: Тъй като теглото на кънкьора се прехвърля върху леда само чрез много тесните бегачи, натискът върху леда е толкова голям, че се топи локално. Това създава тънък воден филм, по който бегачите (или ски или шейни) след това могат лесно да се плъзгат. Тези Топене под налягане е известен и от ледници, които със собственото си тегло създават намазка от разтопена вода върху скалата отдолу, по която се плъзгат надолу в долината.
Това, което работи с ледниците, не е задължително да се прилага за пързаляне с кънки. В университета човек научава в лекциите по физика за начинаещи, че използва уравнението на Клавзий-Чапейрон трябва да се прилага. Той установява връзката между налягането върху леда и намаляването на точката на топене. Съгласно това, скейтър с тегло 75 килограма и чиито остриета на кънки имат контактна повърхност от 6 квадратни сантиметра създава налягане от 12 бара върху леда. Според Клаузий-Чапейрон това би намалило точката на топене на докоснатия лед с малко под една десета от градуса. Това обаче е твърде малко, за да се създаде воден слой, защото пързалянето с лед вече не би било възможно при температури на лед от само няколко градуса под нулата. (Дори кон на бегачи не би се плъзнал). Между другото, вие вече бихте се разтопили под налягане Стойте неподвижно след кратко време в локва вода, което опитът показва, че не е така.
Топене от триене Днес знаем, че Фрикционна топлина има съществен принос за формирането на водния слой. Остриетата на кънките или тобоганите генерират топлина на триене върху леда, топят повърхността на леда и по този начин генерират тънък филм вода. Експериментите всъщност са показали, че триенето на интерфейса плъзгане/лед кара леда да се топи. Типичен кънкьор на лед използва топлината на триене, за да втечни до 12 кубични милиметра лед по острието си, създавайки воден филм с дебелина 0,04 милиметра. Предполага се, че този филм е още по-тънък след кратко време, защото стопената вода се изтласква настрани поради теглото на кънкьора и по този начин не допринася за процеса на плъзгане.
Налягането и триенето обаче не могат да бъдат единственото обяснение за хлъзгавия лед. Трябва да има трети принос. Забелязвате това, когато седите на гащите си, когато стъпвате за първи път върху ледената повърхност: смазаният слой върху леда изглежда не зависи от теглото, температурата и движението. Защото ледът е - дори без външни влияния като бегачи и ски - от тънък, течен Филм надвишен. Не бива да мислите за нея като за локва, а по-скоро за слой вода с дебелина само няколко молекулни слоя.
За да се обясни това, трябва да се каже следното: докато водните молекули вътре в леда са редовно подредени и фиксирани една срещу друга, те губят кохезията си на повърхността (т.е. във „въздуха“). Те са разположени върху решетката от леден кристал отдолу - но са подвижни. Следователно този воден филм е фаза с неподредени, лесно изместващи се молекули. Придава на леда хлъзгавост. Едва през последните няколко години физиците са изследвали този слой със сложно оборудване (рентгенов дифрактометър, източници на синхротронно излъчване и др.). Тя е само няколко Нанометър (nm) дебел, където 1 nm съответства на милионна част от милиметъра. При минус 38 градуса обаче този повърхностен слой губи своята подвижност и по този начин възпрепятства пързалянето с кънки.
За щастие в Пьончанг е само минус 20 градуса.
Следователно прогнозата се прилага: Ски и тобоган добро!