Sciencemag.cz
Doporučujeme
Další příspěvek k odpovědi na otázku, jak se to má s táním ledu pod bruslemi a souvisejícími jevy.
Ve školách se praví, že led taje, když na něj působí tlak a tření. Když v zimě člověk vykročí na zledovatělý chodník, může uklouznout kvůli tlaku, který vyvíjí hmotnost těla přes podrážku (stále ještě teplé) boty. Ukazuje se však, že toto vysvětlení není správné.
Nový výzkum ze Sárské (Saarland) univerzity vede k závěru, že to není tlak ani tření, co způsobuje kluzkost ledu, ale spíše interakce mezi molekulárními dipóly v ledu a dipóly na kontaktním povrchu, jako je podrážka boty. Výsledky výzkumu mají vyvracet pohled, s nímž před téměř dvěma stoletími přišel bratr lorda Kelvina James Thompson; ten navrhl, že tlak a tření přispívají k tání ledu spolu s teplotou.
„Ukázalo se, že ani tlak, ani tření nehrají zvlášť významnou roli při tvorbě tenké kapalné vrstvy na ledu,“ vysvětluje hlavní autor nové studie Martin Müser.
Počítačové simulace naopak odhalily, že klíčovou roli při tvorbě této kluzké vrstvy hrají elektrické dipóly v molekulách.
Jak je led vlastně strukturován? Při teplotách pod nulou se molekuly vody uspořádávají do vysoce uspořádané krystalické mřížky, ve které jsou všechny molekuly pečlivě vyrovnány, čímž vytvářejí pevnou krystalickou strukturu.
Když někdo vstoupí na tuto uspořádanou strukturu, není to výsledný tlak nebo tření boty, co narušuje vrchní vrstvu molekul. Může za to orientace dipólů v podrážce boty, které interagují s dipóly v ledu. Dříve dobře uspořádaná struktura se náhle stává neuspořádanou. Ve třech rozměrech se tyto dipól-dipólové interakce stávají ‚frustrovanými‘, tj. soupeřící síly brání systému dosáhnout plně uspořádané stabilní konfigurace. Na mikroskopické úrovni síly mezi dipóly v ledu a dipóly v materiálu podrážky boty narušují uspořádanou krystalickou strukturu na rozhraní mezi ledem a botou, což způsobuje, že led se stává neuspořádaným, amorfním a nakonec tekutým.
Výzkum má dále vyvracet další mylnou představu: Dosud se předpokládalo, že lyžování při teplotách pod -40 °C je nemožné, protože je prostě příliš chladno na to, aby se pod lyžemi vytvořil tenký mazlavý film. Ukazuje se však, že i to je nesprávné. Dipólové interakce přetrvávají i při extrémně nízkých teplotách. Je pozoruhodné, že se na rozhraní mezi ledem a lyží stále tvoří tekutý film – dokonce i v blízkosti absolutní nuly. Při tak nízkých teplotách je však film viskóznější než med. Lyžování na něm by bylo prakticky nemožné – ale film přesto existuje.
Achraf Atila et al, Cold Self-Lubrication of Sliding Ice, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/1plj-7p4z
Zdroj: Saarland University / Phys.org, přeloženo / zkráceno
Viz také:
Proč je led kluzký
Proč led klouže? Nová studie pomůže rozluštit fyzikální hádanku
