Waarom is ijs glad

Op zichzelf, ijs is niet glad. Als je op een ijzig trottoir stapt, je voelt inderdaad een glad oppervlak. Maar de gladheid wordt veroorzaakt door een dun laagje vloeibaar water en niet direct door het vaste ijs zelf. Water op een glad oppervlak is glad omdat water een vloeistof met een lage viscositeit is. Als zodanig, er zijn geen permanente intermoleculaire bindingen in vloeibaar water, en de voorbijgaande intermoleculaire bindingen zijn zwak. Dit betekent dat watermoleculen vrij kunnen bewegen, gemakkelijk langs elkaar heen glijden, en vul eventuele microscopisch kleine gaten of scheuren waarin een voorwerp zou kunnen blijven haken.

Maar hoe komt water eigenlijk op het ijs?? Dit is een moeilijkere vraag om te beantwoorden. Voor vele jaren, wetenschappers dachten dat de oorzaak druk was. Wanneer u druk uitoefent op water, je verlaagt inderdaad het smeltpunt. In 1886, ingenieur John Joly stelde voor dat het gewicht van een persoon die op ijs schaatst voldoende druk veroorzaakte om het smeltpunt van ijs onder de omgevingstemperatuur te verlagen, waardoor het ijs smelt tot een dun laagje water onder de schaatsen. Maar deze verklaring houdt geen stand bij nader onderzoek. Ongeacht hoeveel druk je uitoefent, je kunt het smeltpunt van water eronder niet verlagen -22 graden Celsius. En toch, ijs bij lagere temperaturen vertoont nog steeds de vorming van een gladde vloeistoflaag. Terwijl druk een rol kan spelen, het is niet het dominante effect.

In 1939, Frank P. Bowden en T. P. Hughes stelde voor dat de wrijving van voorwerpen die over het ijs glijden ervoor zorgt dat het voldoende opwarmt om te smelten. Terwijl wrijving inderdaad warmte veroorzaakt, het creëert niet genoeg warmte om ijs met een zeer lage temperatuur te laten smelten. En toch, ijs vormt bij lage temperatuur nog steeds een gladde vloeistoflaag. Ook, Wrijvingsverwarming kan niet verklaren waarom er een gladde laag ontstaat, zelfs als het object volkomen bewegingloos is. Terwijl wrijvingsverwarming een rol kan spelen bij het verminderen van wrijving voor objecten met hoge snelheid, het is niet het dominante effect.

De exacte details waarom ijs een gladde vloeistoflaag vormt, zelfs als er weinig druk of wrijving wordt uitgeoefend, is momenteel nog niet volledig geregeld door wetenschappers en is een voortdurend onderzoeksgebied. Het is gebleken dat ijs altijd een dunne vloeistoflaag op het oppervlak heeft, zelfs bij temperaturen ver onder het vriespunt, en zelfs als er geen contact is met voorwerpen. De vorming van een vloeistoflaag aan het oppervlak is daarom een ​​eigenschap van ijs zelf en niet een eigenschap van interactie met een object. De vloeistoflaag lijkt te ontstaan ​​doordat de watermoleculen aan het oppervlak minder chemische bindingen hebben dan in bulk, zodat ze natuurlijke trillingen beter kunnen absorberen. In een 2005 Physics Today overzichtsartikel, stelt Robert Rosenberg, “De periodieke structuur valt uiteen [aan de oppervlakte] en de moleculaire lagen nemen een meer amorfe reconstructie aan als reactie op het verminderde aantal chemische bindingen die de oppervlaktemoleculen op hun plaats houden. Atomen in het buitenste oppervlak trillen met een grotere amplitude als functie van de temperatuur dan atomen in het binnenste rooster… Het smelten van het oppervlak is toe te schrijven aan de interactie van de vibrerende beweging van de oppervlaktemoleculen met de interne bulkmoleculen.”

Credit:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2013/12/10/why-is-ice-glippery/