Γιατί γλιστράμε στον πάγο;

Ενα από τα χαρακτηριστικά του πάγου και του χιονιού που όλοι γνωρίζουμε πολύ καλά από την εμπειρία μας είναι η ολισθηρότητά τους. Αυτή έχει δυσάρεστες αλλά και ευχάριστες πλευρές. Τις πρώτες τις βιώνουμε, πεζή ή οδηγώντας, στους δρόμους κάθε φορά που χιονίζει ή έχει παγετό. Τις δεύτερες τις απολαμβάνουμε όταν κάνουμε σκι και πατινάζ ή επιδιδόμαστε σε άλλα χειμερινά σπορ όπως το έλκηθρο ή το curling. Γιατί όμως γλιστράμε στον πάγο; Παρά το γεγονός ότι το φαινόμενο είναι εμπειρικά τόσο γνωστό, οι επιστήμονες δεν έχουν κατανοήσει τον ακριβή μηχανισμό του. Μια νέα μελέτη έρχεται να ρίξει περισσότερο φως.

Η πρώτη επιστημονική εξήγηση για τη μειωμένη τριβή του πάγου –η οποία καθορίζει την ολισθηρότητά του –προτάθηκε το 1888 από τον ιρλανδό φυσικό Τζον Τζόλι. Οταν ένα αντικείμενο –π.χ. ένα παγοπέδιλο –εφάπτεται με την επιφάνεια του πάγου, η πίεση επαφής στο συγκεκριμένο σημείο είναι τόσο υψηλή ώστε ο πάγος λιώνει δημιουργώντας ένα στρώμα υγρού νερού το οποίο λειτουργεί σαν «λιπαντικό» προκαλώντας την ολισθηρότητα. Σήμερα η κρατούσα θεωρία υποστηρίζει πως παρά το γεγονός ότι το στρώμα του υγρού νερού μειώνει την τριβή στην επιφάνεια του πάγου αυξάνοντας την ολισθηρότητα, το νερό δεν προκύπτει από την πίεση αλλά από τη θερμότητα που προκαλεί η ίδια η τριβή του αντικειμένου με τον πάγο.

Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Ντάνιελ Μπον, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Αμστερνταμ στην Ολλανδία, και τον αδελφό του Μίσα Μπον, καθηγητή στο Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ Ερευνών Πολυμερών στο Μάιντς της Γερμανίας, ανακάλυψε τώρα ότι η τριβή στον πάγο είναι μια διαδικασία πολύ πιο σύνθετη από ό,τι πίστευαν οι επιστήμονες. Οπως έδειξαν τα πειράματα μακροσκοπικής τριβής που έκαναν σε συνθήκες από 0 ως -100 βαθμούς Κελσίου, η επιφάνεια του πάγου «μεταμορφώνεται» ανάλογα με το… θερμόμετρο: στις θερμοκρασίες στις οποίες διεξάγονται συνήθως τα χειμερινά σπορ είναι εξαιρετικά ολισθηρή, αλλά στους -100 βαθμούς εμφανίζει αυξημένη τριβή με αποτέλεσμα να μη γλιστράει!

Προκειμένου να διερευνήσουν πώς προκύπτει αυτή η διαφορά ολισθηρότητας σε σχέση με τη θερμοκρασία, οι επιστήμονες προχώρησαν σε φασματοσκοπικές μετρήσεις της κατάστασης των μορίων του νερού στην επιφάνεια του πάγου και συνέκριναν τα αποτελέσματά τους με προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής. Οπως είδαν, στην επιφάνεια του πάγου τα μόρια του νερού «χωρίζονται» σε δύο είδη: κάποια μόρια μένουν «κολλημένα» στο υποκείμενο στρώμα του πάγου (στο οποίο προσδένονται με τρεις δεσμούς υδρογόνου) ενώ άλλα βρίσκονται σε κίνηση (αυτά προσδένονται στον πάγο μόνο με δύο δεσμούς υδρογόνου). Τα «κινητά» μόρια νερού κυλάνε διαρκώς επάνω στον πάγο, σαν μικροσκοπικές σφαίρες, αποκτώντας ενέργεια από τις θερμικές δονήσεις.

Οταν η θερμοκρασία ανεβαίνει, σημειώνονται αλλαγές στα δύο είδη των μορίων νερού στην επιφάνεια του πάγου: τα «κινητά» μόρια αυξάνονται σε αριθμό, ενώ τα «σταθερά» μειώνονται. Αυτή η εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία μεταβολή στην κινητικότητα των μορίων του νερού στην επιφάνεια του πάγου ταιριάζει απόλυτα με τις μεταβολές που παρατηρούνται στην τριβή ανάλογα με τη θερμοκρασία: όσο μεγαλύτερη είναι η κινητικότητα των μορίων του νερού στην επιφάνεια τόσο μικρότερη είναι η τριβή και αντιστρόφως. Για τον λόγο αυτόν οι ερευνητές θεωρούν ότι τελικά ο παράγοντας ο οποίος καθορίζει την ολισθηρότητα του πάγου δεν είναι τελικά το λεπτό στρώμα νερού που δημιουργείται στην επιφάνειά του αλλά η υψηλή κινητικότητα των μορίων του επιφανειακού νερού.

Οσον αφορά την ιδανική θερμοκρασία για να γλιστράει κάποιος στον πάγο, οι επιστήμονες είδαν ότι αυτή είναι οι -7 βαθμοί Κελσίου –η ίδια που προβλέπεται από τους κανονισμούς για τις πίστες του πατινάζ ταχύτητας. Σύμφωνα με τα αποτελέσματά τους, τα οποία δημοσιεύθηκαν στην επιθεώρηση «Journal of Physical Chemistry Letters», σε θερμοκρασίες πάνω από -7 και έως 0 βαθμούς Κελσίου η ολίσθηση καθίσταται δυσκολότερη επειδή ο πάγος γίνεται πιο μαλακός, με αποτέλεσμα το αντικείμενο που ολισθαίνει να εισχωρεί βαθύτερα σε αυτόν.