Svet fyziky Korčuľovanie Prečo je ľad taký hladký
Jürgen Vollmer, Ulrich Vetter 22.2.2008
Zdá sa, že bola len malá alebo žiadna zvedavosť ohľadne fyzikálneho významu jedinečnej vlastnosti ľadu. Keď si na seba myslím, že sa to dá ľahko vysvetliť: ľad bol hladký, keď som sa narodil, nevedel som to inak, a skrátka, bol hladký, pretože to bol ľad.
- Reynolds (1898)
Kĺzanie po úzkych lopatkách korčule na ľad je možné vďaka extrémne malému treniu pevných látok na ľade. Otázku príčiny tohto nízkeho trenia zaradil Reynolds v roku 1898 do programu vedeckého sveta. Motivovaný svojou predchádzajúcou základnou prácou o účinkoch oleja v prevodových stupňoch, Reynolds navrhol, že za nízke trenie môže tenká vrstva vody medzi ľadom a bežcami.
Odkiaľ pochádza táto vrstva vody, ktorá umožňuje kĺzanie?
Tlak príliš nepomáha
Už pred Reynoldsom mal Joly v roku 1886 podozrenie na tenkú vrstvu vody medzi ľadom a bežcom: topenie ľadu vinil z existencie vysokého tlaku bežcov na ľad. Toto vysvetlenie má také kúzlo, že v učebniciach strašilo dlho - pri bližšom skúmaní však bohužiaľ nemôže byť správne; aspoň nie bez benevolentnej podpory z iných podstatnejších príčin.
Samozrejme je pravda, že lokálne zvýšenie tlaku na ľad vedie k lokálnemu zníženiu teploty topenia ľadu. Z kvantitatívneho hľadiska vedie toto zníženie teploty topenia vyvolané tlakom iba k veľmi zlým výsledkom: korčuliar, ktorý váži asi 70 kg a kĺže po korčuliach s dĺžkou čepele 30 cm a šírkou čepele 0,5 mm, vyvíja na ľad tlak asi 23 atmosfér. - asi toľko, koľko je tlak plne zabaleného pohybujúceho sa nákladného vozidla na ulici. Tento veľmi vysoký tlak znižuje teplotu topenia ľadu iba o pätinu stupňa! Ani pri teplotách ľadu len pár stupňov pod bodom mrazu by sa netvoril vodný film.
Ďalší argument proti taveniu vyvolanému tlakom: Výsledkom by bolo, že pod bežcami bude stáť viac a viac vody, keď budú stáť na korčuliach a korčuliar sa ponorí do ľadu. To je však zjavne v rozpore s našimi skúsenosťami.
Trenie robí oveľa viac
Štúdie Bowdena a Hughesa z roku 1939, Evansa a kolegov z roku 1976 a von Colbecka z roku 1995 poukazujú na úplne iný, oveľa efektívnejší mechanizmus ako príčina tvorby vodného filmu: trecie teplo generované pri pohybe čepelí korčule po ľade. k výraznému topeniu ľadu na povrchu a vytvára tak experimentálne pozorovateľný tenký vodný film.
Tento mechanizmus podporuje skutočnosť, že vysvetľuje dramatický rozdiel medzi trecou silou, ktorá je potrebná na uvedenie ľadovej korčule do pohybu z pokoja (statické trenie), a trením, ktoré pôsobí na korčuľu, ktorá bola presunutá (klzné trenie). Kĺzavé trenie na ľade sa zníži na stotinu statického trenia, akonáhle sa zosuniete. Rozdiel je v tom, že tekutý film sa vytvára iba teplom generovaným pri kĺzaní. Naproti tomu korčule na ľad stacionárneho korčuliara zažívajú statické trenie, ktoré je prakticky rovnaké ako na iných hladkých pevných povrchoch. Na rozdiel od toho je malý vodný film indukovaný kontaktným tlakom rovnako silný pri státí aj pri kĺzaní, takže nie je významný rozdiel medzi silou statického a klzného trenia. Kĺzavé trenie na ľade sa zníži na stotinu statického trenia, akonáhle sa zosuniete.
Okrem kvalitatívnych poznatkov umožňuje toto vysvetlenie aj kvantitatívne predpovede, ktoré dobre zodpovedajú pozorovaniam. Pri množstve tepla generovaného klzným trením 70 kg korčuliara z vyššie uvedeného príkladu sa môže topiť až 12 mm3 ľadu v závislosti od teploty ľadu, čo by malo za následok vznik vodného filmu s maximálnou hrúbkou 40 mikrometrov. V skutočnosti je film tenší, pretože voda je tlačená na stranu váhou korčuliara, ktorý sa na ňom nachádza, a pretože nie všetko generované trecie teplo môže byť použité na roztavenie ľadu. Časť tepla sa odvádza hore cez bežce a dole cez ľad.
Straty tepla disipáciou však klesajú so zvyšujúcou sa rýchlosťou, pretože teplo môže odchádzať iba kusom ľadu, keď na neho jazdí korčule. Pri nižších rýchlostiach je čas kríženia dlhší, takže väčšia časť tepla difunduje do hlbín ľadu. Pri rýchlom chode sa menej tepla rozptýli a takmer úplne sa použije na rozpustenie ľadu. Výsledkom je, že hrúbka vodného filmu rastie so zvyšujúcou sa rýchlosťou a trenie sa prudko znižuje, ako Evans a jeho kolegovia experimentálne pozorovali v roku 1976.
Pri ešte rýchlejšom kĺzaní sa však trenie opäť zvyšuje, pretože na jednej strane sa už vodný film významne nemení, na druhej strane sa trecia sila lineárne zvyšuje s rýchlosťou podľa Stokesovho zákona. Existuje teda rozsah otáčok s minimálnym klzným trením. Pri vhodnom výbere materiálu bežca, jeho veľkosti a tvaru, pri danej teplote ľadu a známej hmotnosti korčuliara sa dá tento rozsah minimálneho klzného trenia dosiahnuť pri rýchlostiach niekoľkých metrov za sekundu, t. J. Pri rýchlostiach relevantných pre korčuľovanie.
Lyžiarske a tobogánové dobré!
Výnimočne nízke klzné trenie ľadu je spôsobené vodným filmom na povrchu. Tavenie vyvolané tlakom a „povrchové tavenie“ (pozri rámček nižšie) môžu podporovať tvorbu tohto vodného filmu, ale samy o sebe nie sú dominantné alebo dostatočné. Rozhodujúcim faktorom je skôr trecie teplo generované pri kĺzaní, ktoré topí ľad.
Úvahy zhrnuté v tomto článku sú priamo použiteľné na lyžovanie a sánkovanie. Ako sa kontaktná plocha zväčšuje, proporcie trecieho tepla a tlaku vyvolaného tavenia pri tvorbe vodného filmu klesajú v porovnaní s topením povrchu, ale trecie teplo je stále zreteľne dominantné aj pre kontaktnú plochu lyže.
Drôt v ľadovom bloku
V súvislosti s korčuľovaním sa ľudia radi odvolávajú na jednoduchý experiment: medený drôt, ktorý má na každom konci pripevnené závažie a ktorý je umiestnený na bloku ľadu, sa cez blok ľadu roztopí za niekoľko hodín. Ale že toto pozorovanie, ktoré je samo osebe správne, nemožno vysvetliť tlakom vyvolaným tavením, je zrejmé zo skutočnosti, že nylonová niť sa v žiadnom prípade netiahne cez blok ľadu pod tlakom. Dobrá tepelná vodivosť drôtu skôr zaisťuje lokálne topenie za predpokladu, že závažia sú dostatočne teplé.
Tavenie povrchu
Existuje tretí príspevok, ktorý prispieva k tvorbe pozorovanej tenkej vodnej vrstvy pod čepeľami korčúľ: takzvané „topenie povrchu“. To znamená, že aj bez tela (korčule na ľad) na ľadovej ploche sa na povrchu ľadu vytvorí vrstva vody, a to výlučne z dôvodu rozdielov v podmienkach väzby v ľade („všade okolo molekúl vody“) a na jeho povrchu („iba molekuly pod a vedľa dverí, ale nie vyššie “). Táto prírodná vodná vrstva je však hrubá iba niekoľko nanometrov, ako to v roku 2006 určili Dash a kolegovia. Pre znateľné zníženie klzného trenia musí byť vodný film zhruba stokrát silnejší. Rovnako ako tavenie vyvolané tlakom je aj povrchové tavenie čisto termodynamickým účinkom. Ak má byť dominantným účinkom pri vytváraní vodnej vrstvy, nemôže vysvetliť experimentálne pozorovanú silnú závislosť klzného trenia na rýchlosti o nič viac, ako tavenie vyvolané tlakom.