Fizyka pod ostrzem olimpijskiej łyżwy

Podczas zimowych igrzysk olimpijskich o medalach decydują setne sekundy, a łyżwiarze rozpędzają się do prędkości przekraczających 50 km/h. Za ich osiągnięciami nie stoi jednak wyłącznie trening i aerodynamika kombinezonów, lecz subtelna gra zjawisk fizycznych zachodzących na styku stali i lodu. To tam, w mikroskopijnej warstwie materii, rozstrzyga się, czy tafla stanie się idealnym torem, czy zacznie stawiać opór

Ludzie jeździli na łyżwach już trzy i pół tysiąca lat temu, a mimo to wciąż nie mamy jednej, prostej odpowiedzi na pytanie, dlaczego lód jest śliski. Najstarsze łyżwy, wykonane z kości koni i bydła, datowane na około 1800 rok p.n.e., pozwalały przemieszczać się po zamarzniętych rzekach Skandynawii. Były gładkie, pozbawione ostrych krawędzi, dlatego użytkownicy odpychali się kijem.

W XIII w. pojawiły się drewniane płozy z przymocowanym żelaznym ostrzem, co pozwoliło zrezygnować z kijów i odpychać się nogami. W XV w. ostrza zyskały charakterystycznie podwinięty czubek, który zmniejszał ryzyko zahaczenia o lód. W XVIII i XIX w. jazda na łyżwach stała się popularną rozrywką w Europie, zwłaszcza w okresie tzw. małej epoki lodowej, gdy zimy były szczególnie surowe. Sprzęt ewoluował, ale podstawowe pytanie pozostało bez jednoznacznej odpowiedzi: dlaczego lód w ogóle pozwala się tak łatwo ślizgać?

Nacisk i anomalia wody

Pierwsza klasyczna teoria odwołuje się do niezwykłej właściwości wody. W przeciwieństwie do większości substancji lód pod wysokim ciśnieniem topi się w niższej temperaturze. Oznacza to, że silny nacisk może lokalnie obniżyć temperaturę topnienia.

Cienkie ostrze koncentruje ciężar łyżwiarza na bardzo wąskim pasku lodu, wytwarzając duże ciśnienie, czyli siłę działającą na niewielką powierzchnię. Zgodnie z tą teorią na styku ostrza i lodu powstaje cienka warstwa wody, która działa jak smar.

Problem polega na tym, że efekt ten jest zbyt słaby. Przy temperaturze minus 20 stopni Celsjusza wymagane ciśnienie byłoby znacznie większe niż ciężar człowieka. Sama zmiana temperatury topnienia nie wystarcza więc, by wyjaśnić ślizg w silnym mrozie.

Ciepło tarcia

Druga hipoteza zakłada, że podczas ruchu część energii zamienia się w ciepło. To zjawisko nazywamy tarciem. Gdy ostrze przesuwa się po lodzie, w miejscu kontaktu może powstać niewielka ilość ciepła, która topi lód i tworzy cienki film wody.

Jednak pomiary wykonywane przy temperaturze około minus 7 stopni pokazały, że lód nie zawsze ogrzewa się do temperatury topnienia. Mimo to ślizg nadal zachodzi. To sugeruje, że przynajmniej w części przypadków lód nie topi się w klasycznym sensie, a mechanizm musi być bardziej złożony.

Warstwa quasi-ciekła

Już w XIX w. Michael Faraday zaproponował inne wyjaśnienie. Zauważył, że dwie kostki lodu potrafią się ze sobą skleić niemal bez nacisku. Uznał, że na powierzchni lodu musi istnieć bardzo cienka warstwa cząsteczek zachowujących się inaczej niż w głębi kryształu.

W ciele stałym cząsteczki są uporządkowane w regularną sieć krystaliczną. Na powierzchni ta struktura jest mniej stabilna. Cząsteczki drgają silniej i zachowują się częściowo jak ciecz. Taką strefę nazywa się warstwą quasi-ciekłą, czyli „prawie ciekłą”. Może ona obniżać tarcie nawet wtedy, gdy temperatura jest wyraźnie poniżej zera.

To jednak nie wyjaśnia wszystkiego. Gdyby śliskość była wyłącznie właściwością samej powierzchni lodu, różne materiały ślizgałyby się po nim w podobny sposób. Tymczasem metal, guma i tworzywa sztuczne zachowują się na lodzie inaczej.

Pole elektryczne i cząsteczki wody

Najnowsze badania zespołu z Uniwersytetu Kraju Saary w Niemczech proponują wyjaśnienie na poziomie pojedynczych cząsteczek. Cząsteczka wody ma nierównomierny rozkład ładunku elektrycznego — jedna jej część jest nieco bardziej ujemna, druga bardziej dodatnia. Taki układ nazywa się dipolem.

Gdy metalowe ostrze przesuwa się po lodzie, na granicy styku może powstawać pole elektryczne. Oddziałuje ono na dipole wody i częściowo destabilizuje ich uporządkowanie w krysztale. W efekcie tworzy się niezwykle cienka warstwa o zaburzonej strukturze. Nie jest to ani typowe ciało stałe, ani klasyczna ciecz. Jej właściwości — w tym lepkość, czyli opór wobec płynięcia — zależą od temperatury i rodzaju powierzchni.

Symulacje komputerowe sugerują, że najszybszy ślizg zachodzi na powierzchniach gładkich i hydrofobowych, czyli takich, które słabo przyciągają cząsteczki wody. Wypolerowane stalowe ostrze dobrze spełnia te warunki. Co istotne, mechanizm ten nie wymaga podgrzewania lodu do temperatury topnienia. Może działać nawet w bardzo niskich temperaturach, choć w silnym mrozie warstwa staje się bardziej lepka, a ślizg mniej efektywny.

Jedno zjawisko, wiele mechanizmów

Obraz fizyki jazdy na łyżwach łączy kilka procesów. Nacisk może lokalnie obniżać temperaturę topnienia. Tarcie może generować ciepło. Powierzchnia lodu ma naturalną warstwę quasi-ciekłą. Do tego dochodzą oddziaływania elektryczne na poziomie cząsteczek.

Dlatego pytanie, dlaczego lód jest śliski, nie ma jednej prostej odpowiedzi. Ślizg łyżwy jest efektem współdziałania zjawisk z zakresu termodynamiki, mechaniki kontaktu i fizyki materii skondensowanej. Zamarznięta tafla pod ostrzem okazuje się dynamiczną strefą, w której w ułamku sekundy zmienia się struktura materii.

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi
• popularyzacja