Светът на физиката Кънки на лед Защо ледът е толкова гладък
Юрген Волмер, Улрих Фетер 22.02.2008
Изглежда, че е имало малко или никакво любопитство относно физическото значение на уникалното свойство на леда. Когато се сетя, е лесно да се обясни: ледът беше гладък, когато се родих, не го знаех по друг начин и накратко, беше гладък, защото беше лед.
- Рейнолдс (1898)
Плъзгането по тесните остриета на кънки за лед става възможно благодарение на изключително ниското триене на твърди вещества върху леда. Въпросът за причината за това ниско триене беше поставен на дневен ред на научния свят от Рейнолдс през 1898г. Мотивиран от по-ранната си основна работа върху ефектите на маслото в зъбните колела, Рейнолдс предполага, че тънкият слой вода между леда и бегачите е отговорен за ниското триене.
Откъде идва този слой вода, който позволява плъзгане?
Налягането не помага много
Преди Рейнолдс, Джоли вече е подозирал тънък слой вода между леда и бегача през 1886 г .: той обвинява топенето на леда поради високото налягане на бегачите върху леда за съществуването му. Това обяснение има толкова много чар, че преследва учебниците дълго време - но за съжаление не може да бъде правилно при по-внимателен оглед; поне не без добронамерена подкрепа от други по-съществени каузи.
Разбира се вярно е, че локалното повишаване на налягането върху леда води до локално намаляване на температурата на топене на леда. В количествено изражение това понижаване на температурата на топене, предизвикано от налягане, води само до много лош резултат: кънкьор, който тежи около 70 кг и се плъзга на кънки с дължина на острието 30 см и ширина на острието 0,5 мм, упражнява налягане от около 23 атмосфери върху леда - приблизително колкото налягането на напълно опакован движещ се камион на улицата. Това много значително налягане понижава точката на топене на леда само с една пета от градуса! Дори при температури на лед, само няколко градуса под точката на замръзване, няма да се образува воден филм.
Друг аргумент срещу топенето, предизвикано от натиск: В резултат на това все повече и повече вода ще се развие под бегачите, когато стои на кънки на лед, и кънкьорът ще потъне в леда. Но това очевидно противоречи на нашия опит.
Триенето прави много повече
Изследванията на Боудън и Хюз от 1939 г., на Еванс и колеги от 1976 г. и фон Колбек от 1995 г. посочват напълно различен, много по-ефективен механизъм като причина за образуването на водния филм: топлината на триене, генерирана при преместване на лопатките на кънките по леда до значително топене на леда на повърхността и по този начин се създава експериментално наблюдаемият тънък филм от вода.
Този механизъм се подкрепя от факта, че той обяснява драматичната разлика между силата на триене, която е необходима за задвижване на кънки на лед от място (статично триене), и триенето, което действа върху скейт, който е бил преместен (триене при плъзгане). Триенето на плъзгане по лед се намалява до една стотна от статичното триене веднага щом се плъзга. Разликата е, че течният филм се създава само от топлината, генерирана по време на плъзгане. За разлика от това, кънките на леден скейтър изпитват статично триене, което е практически същото като при други гладки твърди повърхности. За разлика от това, малкият воден филм, предизвикан от контактното налягане, е еднакво дебел, когато стои и се плъзга, така че няма значителна разлика между силата на статичното и плъзгащото триене. Триенето на плъзгане по лед се намалява до една стотна от статичното триене веднага щом се плъзга.
Освен качествените прозрения, това обяснение позволява количествени прогнози, които се съгласяват добре с наблюденията. С количеството топлина, генерирано от триенето на плъзгане на 70-килограмовия скейтър от горния пример, до 12 mm 3 лед могат да се стопят, в зависимост от температурата на леда, което би довело до воден филм с максимална дебелина 40 микрометра. Всъщност филмът е по-тънък, тъй като водата се изтласква странично от теглото на скейтъра върху него и защото не цялата генерирана топлина от триенето може да се използва за топене на леда. Част от топлината се разсейва нагоре през бегачите и надолу през леда.
Въпреки това, загубата на топлина чрез разсейване намалява с увеличаване на скоростта, тъй като топлината може да изтече само през парче лед, докато ледената пързалка се движи по нея. При по-ниски скорости времето за преминаване е по-дълго, така че по-голям дял от топлината се дифузира в дълбочината на леда. Когато работи бързо, по-малко топлина се разсейва и се използва почти изцяло за топене на лед. В резултат дебелината на водния филм се увеличава с увеличаване на скоростта и триенето намалява рязко, както Еванс и колегите му наблюдават експериментално през 1976 г.
При още по-бързо плъзгане обаче триенето отново се увеличава, тъй като от една страна водният филм вече не се променя значително, от друга страна силата на триене нараства линейно със скоростта според закона на Стокс. Така че има диапазон на скоростта на минимално триене при плъзгане. С подходящ избор на материал за бягане, размер и форма на бегач за дадена температура на леда и известно тегло на кънкьора, този диапазон на минимално триене при плъзгане може да бъде постигнат при скорости от няколко метра в секунда, т.е. особено при скорости, важни за пързаляне с кънки.
Ски и тобоган добро!
Изключително ниското триене на лед при плъзгане се причинява от филм вода на повърхността. Индуцирано под налягане топене и "повърхностно топене" (виж карето по-долу) могат да подпомогнат образуването на този воден филм, но те сами по себе си не са доминиращи или достатъчни. По-скоро решаващият фактор е топлината на триене, генерирана при плъзгане, която топи леда.
Обобщените в тази статия съображения са пряко приложими за ски и шейни. С увеличаване на контактната повърхност пропорциите на топлина от триене и индуцирано от налягане топене при образуването на водния филм намаляват в сравнение с повърхностното топене, но фрикционната топлина все още е ясно доминираща дори за контактната повърхност на ски.
Телта в блока лед
Във връзка с пързалянето с кънки хората обичат да се позовават на прост експеримент: медна тел, с тежест, прикрепена към всеки край и която е поставена върху блок лед, се топи през блока лед за няколко часа. Но че това наблюдение, което е правилно само по себе си, не може да се обясни с топене, предизвикано от налягане, може да се види от факта, че найлонова нишка в никакъв случай не се изтегля през ледения блок под налягане. По-скоро добрата топлопроводимост на проводника осигурява локално топене, при условие че тежестите са достатъчно топли.
Повърхностно топене
Има и трети принос, който допринася за образуването на наблюдавания тънък воден слой под лопатките на кънките: така нареченото „повърхностно топене“. Това означава, че дори без тяло (леден скейт) на ледената повърхност, се създава слой вода върху ледената повърхност, единствено поради разликите в условията на свързване в леда („всички около водните молекули“) и на неговата повърхност („само под и в съседство с молекули, но не по-горе "). Този естествен воден слой обаче е с дебелина само няколко нанометра, както Dash и колеги установиха през 2006 г. За забележимо намаляване на триенето при плъзгане, водният филм трябва да е около сто пъти по-дебел. Подобно на топенето, предизвикано от налягане, повърхностното топене е чисто термодинамичен ефект. Ако се предполага, че това е доминиращият ефект при формирането на водния слой, той не може да обясни експериментално наблюдаваната силна зависимост на триенето при плъзгане от скоростта, по-голяма от индуцираното под налягане топене.