Dlaczego lód jest śliski?

Wbrew powszechnemu przekonaniu lód nie jest śliski dlatego, że pokrywa go cienka warstwa wody znajdująca się na jego powierzchni. Źródło: Shutterstock

Dla ludzi mieszkających w chłodniejszym klimacie, śliski lód oznacza nadejście zimy: lodowiska, zamarznięte stawy oraz niebezpiecznie śliskie drogi i chodnik

Dlaczego lód jest śliski? 

Okazuje się, że tak naprawdę naukowcy do niedawna nie znali odpowiedzi na to proste pytanie. Jednakże jak wykazały najnowsze badania, śliskość lodu może wynikać z obecności na jego powierzchni „dodatkowych” cząsteczek. 

Dawne teorie nie mają sensu

Ponieważ lód ma mniejszą gęstość niż woda, jego temperatura topnienia obniża się wraz ze wzrostem ciśnienia. Teoria obowiązująca od wielu lat mówi, że właśnie dlatego lód jest śliski: Gdy staniesz na powierzchni lodu, jego górna warstwa, pod wpływem twojego ciężaru zacznie się topić i zamieni się w wodę. 

„Myślę, że wszyscy się zgodzą, że to nie może być prawda” – powiedział Mischa Bonn, dyrektor wydziału spektroskopii molekularnej w Instytucie Badań nad Polimerami Maxa Plancka w Niemczech. „Nacisk na powierzchnię lodu musiałby być tak ogromny, że nie da się tego osiągnąć nawet gdyby na lodzie stanął słoń na wysokich obcasach

Zgodnie z inną teorią, ciepło powstające w wyniku tarcia podczas poruszania się po lodzie powoduje powstawanie warstwy wody. Jednakże lód jest śliski nie tylko wtedy gdy się poruszamy, o czym szybko przekonuje się każdy, kto po raz pierwszy staje na łyżwach na lodowisku. 

Nawet gdyby obecność wysokiego ciśnienia lub tarcia powodowała topnienie lodu, czy obecność warstwy wody byłaby wyjaśnieniem śliskości lodu? Daniel Bonn, fizyk z Uniwersytetu w Amsterdamie w Holandii, tak nie uważa. 

„Teoria związana z obecnością warstwy wody nie ma większego sensu” – powiedział Bonn dla Live Science. „Jeśli rozlejemy trochę wody na podłogę w kuchni, podłoga stanie się śliska, ale nie aż tak… Obecność samej warstwy wody nie wystarczy”. 

Luźne cząsteczki

Bracia Mischa i Daniel Bonn, opublikowali 9 maja rozprawę w Journal of Chemical Physics badającą powierzchnię lodu. Odkryli, że zamiast warstwy wody na powierzchni lodu znajdują się luźne cząsteczki wody. Mischa Bonn porównał powierzchnię lodu do parkietu tanecznego „wypełnionego szklanymi kuleczkami lub pokrytego łożyskami kulkowymi”. Ślizganie się po powierzchni lodu to po prostu „toczenie się” po tych kulkach -cząsteczkach. 

Lód ma bardzo regularną, harmonijną strukturę krystaliczną. Każda cząsteczka wody w pojedynczym krysztale lodu jest połączona z trzema innymi cząsteczkami wody. Jednakże cząsteczki wody znajdujące się na powierzchni lodu mogą łączyć się tylko z dwoma innymi cząsteczkami wody. Ze względu na tak słabe powiązania z kryształem lodu, cząsteczki wody na powierzchni mogą opadać i przyczepiać się oraz oddzielać od kryształu w różnych miejscach w chwili kiedy wykonują ruch. 

Chociaż poślizg na lodzie jest zasadniczo spowodowany toczeniem się po cząsteczkach wody, ta warstwa cząsteczek nie jest tym samym, co warstwa wody. Cząsteczki te i śliskość spowodowana ich obecnością występują w temperaturach znacznie poniżej punktu zamarzania wody. W rzeczywistości, jak stwierdził Daniel Bonn, to swobodne poruszanie się cząsteczek oraz ich rozprzestrzenianie się po powierzchni upodabnia je bardziej do gazu. 

„Dla mnie jest to gaz” – dwuwymiarowy gaz, a nie trójwymiarowa ciecz – powiedział dla Live Science. 

Ale jeżeli lód jest śliski ze względu na obecność luźnych cząsteczek na jego powierzchni, czy wobec tego jest on wyjątkowo śliski? Martin Truffer, profesor fizyki na Uniwersytecie Alaski w Fairbanks, raczej się z tym stwierdzeniem nie zgadza. Wyjątkowa jest nie tyle natura lodu, a raczej nasz stosunek do niego – stwierdził. 

„Rzeczą niezwykłą jeśli chodzi o lód, jest to, że zwykle spotykamy się z nim gdy temperatura otoczenia równa jest mniej więcej temperaturze topnienia” – Truffer powiedział Live Science. „Tak naprawdę jest to jedyna substancja, w której występuje stan skupienia gazowy, ciekły i stały w normalnej strefie klimatycznej, w której żyjemy”. 

Truffer, który mieszka w Fairbanks na Alasce, odkrył, że lód może powstawać również gdy temperatura jest bardzo odległa od temperatury topnienia: kiedy temperatura otoczenia dochodzi do minus 40 stopni Celsjusza, śnieg „staje się jak papier ścierny”. Obserwacje Truffera pokrywają się z odkryciami braci Bonn. W ultraniskich temperaturach cząsteczki na powierzchni nie mają wystarczająco dużo energii, aby rozrywać i tworzyć wiązania podczas w chwili gdy się toczą. Dlatego też lód przestaje być śliski. 

Zgodnie z uzyskanymi wynikami badań, temperatura, w której lód staje się najbardziej śliski, wynosi około minus 7 stopni Celsjusza.

Ale niektórzy wiedzieli już o tym od dawna; właśnie taką temperaturę od lat utrzymuje się na większości krytych lodowisk do jazdy szybkiej.