Γιατί γλιστράει ο πάγος; – Νέα μελέτη ανατρέπει θεωρία της Φυσικής 200 ετών

Εδώ και περίπου δύο αιώνες, οι επιστήμονες θεωρούσαν πως, ο πάγος γλιστράει λόγω της πίεσης ή της τριβής που λιώνει την επιφάνειά του. Μια νέα μελέτη, από το πανεπιστήμιο Σάαρλαντ της Γερμανίας, ανατρέπει αυτή την πεποίθηση.

Για περισσότερο από έναν αιώνα, οι φοιτητές ανά τον κόσμο μάθαιναν πως, η πίεση και η τριβή προκαλούν το λιώσιμο του πάγου. Η γνωστή ολίσθηση στον παγωμένο πεζόδρομο το χειμώνα αποδίδεται συχνά στο βάρος του σώματος που ασκείται μέσω της σόλας του (ακόμη ζεστού) παπουτσιού σας.

Μία νέα μελέτη από το πανεπιστήμιο Σάαρλαντ, δείχνει πως, η θεωρία αυτή είναι ατελής, ανακαλύπτοντας πως, η ολισθηρότητα οφείλεται στις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα μοριακά δίπολα στον πάγο και εκείνα στην επιφάνεια με την οποία έρχεται σε επαφή, όπως είναι η σόλα του παπουτσιού, παρά στην πίεση ή την τριβή.

Η μελέτη του καθηγητή Müser και τον συνεργατών του, του Achraf Atila και του Sergey Sukhomlinov, αμφισβητούν το μοντέλο που προτάθηκε πριν από σχεδόν διακόσια χρόνια, από τον αδελφό του λόρδου Kelvin, τον James Thompson, ο οποίος πρότεινε πως, η πίεση και η τριβή, μαζί με τη θερμοκρασία, προκαλούν το λιώσιμο του πάγου.

«Αποδεικνύεται πως, ούτε η πίεση, ούτε η τριβή παίζουν τόσο σημαντικό ρόλο στον σχηματισμό του λεπτού, υγρού στρώματος στον πάγο», εξηγεί ο Martin Müser.

Αντίθετα, υπολογιστικές προσομοιώσεις που πραγματοποίησε η ομάδα, αποκάλυψαν πως, τα μοριακά δίπολα είναι οι καθοριστικοί παράγοντες πίσω τον σχηματισμό αυτού του ολισθηρού στρώματος, το οποίο μας κάνει να χάνουμε την ισορροπία μας τον χειμώνα.

Τι είναι όμως ένα δίπολο; Ένα μοριακό δίπολο, δημιουργείται όταν ένα μόριο έχει περιοχές με μερικό θετικό και μερικό αρνητικό φορτίο, δίνοντας στο μόριο μια συνολική πολικότητα που δείχνει προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Για να καταλάβουμε καλύτερα τι συμβαίνει, βοηθά να γνωρίζουμε πώς είναι δομημένος ο πάγος. Κάτω από τους μηδέν βαθμούς Κελσίου, τα μόρια του νερού (H₂O) σχηματίζονται σε μια ιδιαίτερα τακτοποιημένη κρυσταλλική δομή, στην οποία τα μόρια ευθυγραμμίζονται σωστά το ένα με το άλλο, δημιουργώντας μια στερεά, κρυσταλλική δομή.

Όταν κάποιος πατάει σε αυτή την τακτοποιημένη δομή, δεν είναι η απορρέουσα πίεση ή η τριβή του παπουτσιού που διαταράσσει το ανώτερο στρώμα των μορίων, αλλά η κατεύθυνση των διπόλων στη σόλα του παπουτσιού που αλληλεπιδρούν με αυτά στον πάγο. Η προηγουμένως καλά οργανωμένη δομή ξαφνικά διαταράσσεται.

Στις τρεις διαστάσεις, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διπόλων συγκρούονται και δεν μπορούν να βρουν μια τέλεια ισορροπία, εξηγεί ο Müser, περιγράφοντας την έννοια της φυσικής στην οποία οι ανταγωνιστικές δυνάμεις, αποτρέπουν το σύστημα από το να δημιουργήσει έναν απόλυτα σταθερό σχηματισμό.

Σε μικροσκοπικό επίπεδο, οι δυνάμεις ανάμεσα στα δίπολα στον πάγο και εκείνες στο υλικό της σόλας, διαταράσσουν την οργανωμένη κρυσταλλική δομή στην αλληλεπίδραση ανάμεσα στον πάγο και το παπούτσι, προκαλώντας την αποδιοργάνωση του πάγου σε άμορφη και τελικά υγρή μορφή.

Εκτός από το ότι, ανατράπηκαν σχεδόν 200 χρόνια καθιερωμένης γνώσης, η έρευνα της ομάδας, αποδομεί ακόμη μια παρερμηνεία. «Μέχρι σήμερα, θεωρούνταν ότι, το σκι κάτω από τους –40°C, είναι ακατόρθωτο, επειδή είναι πολύ παγωμένο για να σχηματιστεί ένα λεπτό λιπαντικό υγρό στρώμα κάτω από τα σκι. Αποδεικνύεται ότι και αυτό δεν ισχύει», είπε ο καθηγητής Müser.

«Οι αλληλεπιδράσεις των διπόλων, επιμένουν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Αξίζει να σημειωθεί ότι, είναι ότι ένα υγρό στρώμα εξακολουθεί να σχηματίζεται στην επιφάνεια επαφής πάγου και σκι — ακόμη και κοντά στο απόλυτο μηδέν», εξηγεί ο Müser.

Σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες ωστόσο, το στρώμα αυτό είναι πιο ιξώδες (κολλώδες) από το μέλι. Σχεδόν δεν θα το αναγνωρίζαμε ως νερό, και το σκι πάνω του θα ήταν πρακτικά αδύνατο, αλλά το στρώμα εξακολουθεί να υπάρχει.

Για κάποιον που υποφέρει από κάταγμα επειδή γλίστρησε σε πάγο, δεν έχει σημασία αν φταίει η πίεση, η τριβή ή τα δίπολα. Για τη φυσική ωστόσο, η διαφορά αυτή είναι καθοριστικής σημασίας.