Tudomány
Miért csúszik a jég?
Az elmélet megváltoztatja a síelés és téli közlekedés fizikai megértését, különösen extrém hidegben
A tanulmány szerint – amelyet Martin Müser professzor és munkatársai, Achraf Atila és Sergey Sukhomlinov készítettek – a jég csúszós volta valójában a jég és a vele érintkező felületek, például cipőtalpak, közötti molekuláris dipólus-kölcsönhatások eredménye, nem pedig a nyomás vagy a súrlódás által kiváltott olvadás.
Ez a felfedezés megkérdőjelezi James Thomson két évszázaddal ezelőtti elképzelését, aki szerint a nyomás, a súrlódás és a hőmérséklet miatt olvad meg a jég felszíne.
„Kiderült, hogy sem a nyomás, sem a súrlódás nem játszik különösebben jelentős szerepet az a vékony vízréteg kialakulásában”, magyarázza Müser. A számítógépes szimulációk szerint ehelyett a dipólusok kölcsönhatása a fő mozgatórugója a jég felületének megolvadásához vezető folyamatnak.
Mi az a dipólus?
A molekuláris dipólust akkor mondjuk ki, ha egy molekula részlegesen pozitív, illetve negatív töltésre eltolódott területeket tartalmaz, így az egész molekula polarizáltan viselkedik egy irányba.
Hidegben a vízmolekulák rendezetten kristályosodnak: egy szép, szabályos jégréteget hoznak létre. Amikor valami – például síléc, korcsolya vagy cipőtalp – ráhelyeződik a jégre, nem a fizikai erő tör meg fizikai erővel, hanem a dipólusok kölcsönhatása a rendezett struktúrát megzavarja, ami amorf, gyakorlatilag olvadtszerű viselkedést eredményez.
„A dipólus-dipólus kölcsönhatások háromdimenziós rendszerekben ‘frusztráltak’”, mondja Müser, utalva arra, hogy a versengő kölcsönhatási igények miatt a rendszer nem tud egy teljesen újra rendezett állapotot felvenni.
Az így kialakuló, amorf struktúra egy vékony folyadékbevonatot képez a jégen, ami miatt könnyen elcsúszhatunk – így játssza el a szerepét a régi elméletek által az olvadás.
Síléc és extrém hideg? A film még vastagabb lehet!
Müser kutatása egy másik tévhitet is eloszlat. Korábban úgy vélték, hogy -40 °C alatt síelni lehetetlen, mert egyszerűen túl hideg van ahhoz, hogy különleges olajosságú film alakuljon ki. Az új kutatás szerint azonban még extrém alacsony hőmérsékleten is kialakul a folyadékfilm – bár mézhez hasonlóan tömény és nagyon viszkózus lesz.
Miért fontos ez?
Ha elcsúszunk télen, talán nem számít számunkra, hogy miért történt: nyomás, súrlódás vagy molekuláris kölcsönhatás. A fizika számára azonban fontos a különbségtétel. A Saarlandi Egyetem kutatóinak felfedezése új távlatokat nyithat az anyag és felületi fizikában – a tudományos világ már figyel.
