Για περισσότερα από εκατό χρόνια, οι επιστήμονες προσπαθούν να εξηγήσουν γιατί ο πάγος παραμένει ολισθηρός ακόμη και σε θερμοκρασίες πολύ κάτω από το μηδέν.
Μια νέα μελέτη έρχεται να ανατρέψει τις καθιερωμένες θεωρίες, δείχνοντας ότι ο πάγος δεν χρειάζεται να λιώσει για να γίνει ολισθηρός.
Όταν περπατάμε σε ένα παγωμένο πεζοδρόμιο ή σπρώχνουμε τα πέδιλα του σκι, η επιφάνεια μοιάζει να «εξαφανίζεται» κάτω από τα πόδια μας. Η πιο διαδεδομένη εξήγηση μέχρι σήμερα ήταν ότι σχηματίζεται ένα εξαιρετικά λεπτό φιλμ υγρού νερού ανάμεσα στον πάγο και το αντικείμενο που γλιστρά. Ωστόσο, το πώς ακριβώς δημιουργείται αυτό το νερό παρέμενε ασαφές.
Η νέα έρευνα, με επικεφαλής τον καθηγητή Martin Müser από το Πανεπιστήμιο του Ζάαρλαντ, προσφέρει μια διαφορετική απάντηση. Χρησιμοποιώντας εκτεταμένες προσομοιώσεις σε υπολογιστή, η ομάδα έδειξε ότι η κρυσταλλική δομή του πάγου μπορεί να «σπάσει» τοπικά λόγω της κίνησης, σχηματίζοντας ένα άμορφο στρώμα που μοιάζει με νερό, ακόμη και σε ακραία χαμηλές θερμοκρασίες. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters.
Οι βασικές θεωρίες για την ολισθηρότητα του πάγου
Για δεκαετίες, τα εγχειρίδια φυσικής ανέφεραν τρεις βασικές θεωρίες: την τήξη λόγω πίεσης από λεπίδες ή ελαστικά, την επιφανειακή τήξη των ανώτερων μοριακών στρωμάτων και τη θέρμανση λόγω τριβής. Καθεμία εξηγούσε μέρος του φαινομένου, αλλά καμία δεν μπορούσε να καλύψει όλες τις περιπτώσεις. Πειράματα έχουν δείξει ότι κατά την ταχεία ολίσθηση η θερμοκρασία αυξάνεται ελάχιστα, ενώ η τήξη λόγω πίεσης δεν αρκεί για να εξηγήσει το σκι σε θερμοκρασίες γύρω στους –20°C.
Για να καλύψουν αυτό το κενό, οι ερευνητές στράφηκαν σε προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, παρακολουθώντας τη συμπεριφορά μεμονωμένων μορίων νερού. Ακόμη και πριν ξεκινήσει η ολίσθηση, σχηματίζονταν μικροσκοπικές περιοχές χαμηλότερης ενέργειας στο σημείο επαφής των κρυστάλλων. Με την κίνηση, αυτές οι περιοχές λειτουργούσαν ως αδύναμα σημεία, όπου η δομή του πάγου παραμορφωνόταν και έχανε την τάξη της.
Το αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία ενός λεπτού, άμορφου στρώματος, με ιδιότητες παρόμοιες με υπερψυχρό υγρό νερό. Το εντυπωσιακό ήταν ότι, αυτή η διαδικασία δεν απαιτούσε έντονη θέρμανση. Όπως διαπίστωσε η ομάδα, η παραμόρφωση και η κίνηση παίζουν σημαντικότερο ρόλο από τη θερμοκρασία. Μάλιστα, σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κοντά στους 10 βαθμούς Κελσίου, ο πάγος αποδιοργανωνόταν ταχύτερα απ’ ό,τι σε θερμότερες συνθήκες.
Οι προσομοιώσεις έδειξαν επίσης ότι η λεγόμενη «υπερολίσθηση», όπου δύο τέλεια κρύσταλλοι γλιστρούν σχεδόν χωρίς τριβή, δεν ισχύει για τον πραγματικό πάγο. Χαμηλή τριβή εμφανίζεται μόνο όταν υπάρχει επαρκώς παχύ άμορφο ή υγροειδές στρώμα ανάμεσα στις επιφάνειες.
Συνδέοντας τα μοριακά ευρήματα με πραγματικές συνθήκες, οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο πάγος είναι πιο ολισθηρός όταν η επιφάνεια είναι λεία και αλληλεπιδρά ασθενώς με το νερό. Η τραχύτητα και η ισχυρή πρόσφυση αυξάνουν τις απώλειες ενέργειας και άρα την τριβή.
Συνολικά, η μελέτη ανατρέπει παγιωμένες αντιλήψεις. Το λιώσιμο παίζει ρόλο μόνο στην αρχή της κίνησης, ενώ στη συνέχεια κυριαρχεί το άμορφο στρώμα που δημιουργείται από την ίδια την ολίσθηση. Όπως σημειώνει ο καθηγητής Müser , ο πάγος μπορεί να παραμείνει γλιστερός ακόμη και σε θερμοκρασίες όπου μέχρι σήμερα θεωρούνταν αδύνατο το σκι, απλώς τότε η ολίσθηση γίνεται με μεγαλύτερη αντίσταση.