Ledas ilgą laiką atrodė apgaulingai paprastas, tačiau jo maža trintis dešimtmečius glumino mokslininkus. Spaudimo sukeltas tirpimas paaiškino dalį šio reiškinio, bet ne tai, kodėl ledas išlieka slidus gerokai žemiau 0 °C. Neseniai atlikti tyrimai rodo, kad tai lemia plonas kvaziskystas paviršiaus sluoksnis, susidarantis iš silpnai susietų molekulių ir paviršiaus netvarkos. Tas sluoksnis keičia kontakto mechaniką taip, kaip ankstesni modeliai neįvertino, o likęs klausimas yra tai, kaip ši subtili struktūra galiausiai buvo išmatuota.
Kodėl ledas yra slidus?
Ledas atrodo slidus, nes sąsaja tarp bato, pačiūžos ar padangos ir ledo gali sudaryti labai ploną tepamąjį sluoksnį vandens, kuris sumažina trintį. Ši plėvelė leidžia paviršiams slysti su mažesniu pasipriešinimu, nei jie turėtų esant sausam kietų paviršių kontaktui.
Šis efektas stipriausias, kai paviršius yra lygus ir apkrova paskirstyta mažame plote, kaip su pačiūžomis. Mikroskopiniai nelygumai vis dar svarbūs, tačiau vandens sluoksnis gali juos užpildyti ir apriboti tiesioginį medžiagų sukibimą.
Žmonėms, atsakingiems už visuomenės saugą, transportą ar priežiūrą lauke, tai reiškia, kad sukibimas priklauso nuo temperatūros, paviršiaus tekstūros ir sąlyčio spaudimo.
Smėlis, dygiai ir protektoriaus raštai padeda didindami mechaninį įsikabinimą ir sutrikdydami tepamąjį sluoksnį dar prieš judesiui tampant nestabiliam.
Kodėl slėgio sukeltas tirpimas nėra viskas
Nors slėgis gali sumažinti ledo lydymosi temperatūrą, šis poveikis yra per silpnas, kad paaiškintų didžiąją dalį kasdienio slidumo. Skaičiavimai rodo, kad batui, padangai ar pačiūžai reikėtų nepaprastai didelio įtempio, kad lydimosi temperatūra būtų sumažinta tiek, jog įprastomis žiemos temperatūromis susidarytų platus tirpimas.
Kontaktiniuose taškuose slėgis iš tiesų egzistuoja, tačiau jo įtaka yra lokali ir trumpalaikė, todėl susidaro nepakankamai skysčio, kad būtų galima paaiškinti ilgalaikį mažą trinties koeficientą visame paviršiuje. Be to, ledas išlieka slidus net ir tokiomis sąlygomis, kai slėgio poveikis turėtų būti minimalus. Tai apriboja klasikinį slėgio sukelto tirpimo paaiškinimą tik siauram vaidmeniui.
Išsamesniame aiškinime turi būti atsižvelgiama į temperatūrą, paviršiaus netvarkingumą ir sąsajos procesus, kurie sumažina pasipriešinimą tarp ledo ir besiliečiančios medžiagos. Toks supratimas padeda kurti saugesnius vaikščiojimo paviršius ir efektyvesnį šaltojo sezono dizainą.
Kaip ant ledo susidaro plonas vandens sluoksnis
Ant ledo net ir žemiau 0 °C gali susidaryti mikroskopinė skysčio plėvelė, nes išoriniai molekulių sluoksniai yra silpniau surišti nei tos, kurios yra kristalo viduje. Paviršiuje nevisiškas vandenilinis ryšys palieka molekules aukštesnės energijos būsenoje, todėl kvaziskystas sluoksnis tampa termodinamiškai palankus.
Net ir užšalusiame ore šiluminis judėjimas gali suteikti pakankamai energijos, kad keli molekuliniai sluoksniai išliktų netvarkingi ir judrūs. Adsorbuotos priemaišos ir ištirpusios dujos gali dar labiau sumažinti vietines užšalimo sąlygas, leisdamos šiai plėvelei tam tikromis aplinkybėmis išlikti ir pastorėti.
Šis sluoksnis nėra birus tirpsmo vanduo; tai yra stipriai apribota, laikina fazė, kurios egzistavimas priklauso nuo temperatūros, drėgmės ir paviršiaus chemijos. Šis mechanizmas padeda paaiškinti ledo elgseną praktinėse situacijose, kur svarbus atsargus elgesys.
Kaip ledo paviršiaus struktūra mažina trintį
Tas plonas kvasiskystis sluoksnis keičia ne tik paviršiaus fazę, bet ir sąlyčio mechaniką.
Molekuliniu mastu ledas pasižymi gardele, kuri nėra nei visiškai standi, nei tolygiai lygi. Jo išorėje esančios molekulės yra mažiau tvirtai suvaržytos nei tūryje, todėl esant apkrovai gali vykti lokalus persitvarkymas.
Kai bato padas, padanga ar įrankio kraštas spaudžia žemyn, sąlytis pasiskirsto per mikroskopinius nelygumus, o ne per plokščią paviršių. Tada paviršius deformuojasi, sumažėja tikrasis sąlyčio plotas ir silpnėja sąsaja.
Kartu tvarkinga ledo struktūra siūlo nedaug stiprių sukibimo vietų, todėl šoninis pasipriešinimas išlieka nedidelis. Dėl to sąlyčio sąsaja leidžia judėti, esant mažesniam šlyties įtempimui.
Tiems, kurie atsako už saugias ir efektyvias paslaugas, šis sumažėjimas svarbus, nes jis padeda išlaikyti sukibimo kontrolę nereikalaujant pernelyg didelės jėgos.
Kas galiausiai išsprendė ledo mįslę?
Ledo slydumo problema galutinai buvo išaiškinta sujungus paviršiui jautrius matavimus su kontroliuojamais tribologiniais eksperimentais, o ne remiantis vienu paaiškinimu.
Tyrėjai parodė, kad viršutiniai ledo sluoksniai yra netvarkingi ir labai judrūs net žemiau 0 °C, todėl kvaziskystė plėvelė egzistuoja dar iki pritaikant spaudimą ar trintį.
Didelės skiriamosios gebos spektroskopija, atominės jėgos mikroskopija ir trinties bandymai su švariu, temperatūriškai kontroliuojamu ledu patvirtino, kad šis nanometrinio storio sluoksnis mažina šlyties pasipriešinimą, leisdamas lengvai persitvarkyti molekulėms.
Šis atradimas taip pat išsprendė senesnius teiginius, kad slydumą sukėlė vien tik slėgio sukeltas tirpimas; vietoj to slėgis, trinties šilimas ir paviršiaus netvarka veikia kartu, o jų santykinė reikšmė priklauso nuo sąlygų.
Ši integruota samprata dabar padeda kurti saugesnes medžiagas, valdyti žiemos paviršius ir aiškinti natūralų ledo elgesį.
