Co udělat pro to, aby lyže na sněhu klouzaly co nejlépe a auto na silnici pokud možno co nejméně? Odpověď zní – studovat vlastnosti rozhraní mezi ledem a vodou. Vědci přišli na to, že kapalná vrstvička, která vzniká, když nějaký objekt klouže po ledu, je viskózní jako olej a mnohem tenčí, než se předpokládalo.
Led a sníh mají mimořádně nízký koeficient tření. To je sice žádoucí pro zimní sporty, jako je lyžování nebo bruslení, ale jak všichni víme, velice nebezpečné pro automobily nebo pro chodce. I když vědci tyto látky studují přes 150 let, zatím nepřišli na to, proč jsou tak kluzké.
Podle některých může za nízkou hodnotu koeficientu tření tenká vrstva kapalné vody, která se tvoří mezi ledem a klouzajícím objektem. Při tření vzniká teplo, v důsledku kterého se část ledu roztaví a vytvoří se vrstvička kapalné vody. Tato hypotéza má však řadu nezodpovězených otázek. Navíc tloušťku, ani další vlastnosti této hypotetické vrstvy se až doposud nikomu nepodařilo změřit.
Francouzský tým z Ecole Normale Supérieure v Paříži teď za tímto účelem vyvinul nový instrument – zdvojený tribometr. Tribometr je nástroj, který měří tribologické veličiny, jako je koeficient tření, třecí síla, objem opotřebení a další jevy vznikající při kontaktu dvou povrchů.
Zařízení, které vědci vyvinuli, obsahuje makroskopickou ladičku, na jejímž konci se nachází milimetrová vibrační kulička. Ladička se podobá těm, které se používají třeba k ladění klavírů, ovšem na rozdíl od nich může být vybuzena kmity o velmi nízkých frekvencích, obvykle je to několik stovek hertzů.
Vědci zjistili, že když se vibrační kulička (sonda) dotkne ledu (do kterého fyzici zabudovali piezoelektrické čidlo pohybu), při bočním úderu klouže po ledě s určitou neměnnou amplitudou a rychlostí. Frekvence systému se následně mění, ale stejně tak se mění i faktor kvality. K měření elastických vlastností kontaktního povrchu a změny faktoru kvality pro vyhodnocení ztrátových jevů, které zde nastávají, použil tým frekvenční kompenzaci (offset). Dvě měření současně jim umožnilo získat křivky viskozity vrstvy na rozhraní.
Celý systém, ačkoli je velký jen několik centimetrů, je natolik citlivý, že umožňuje zkoumat vlastnosti kontaktu a tření s přesností v řádu nanometrů. Vědcům se vůbec poprvé podařilo experimentálně potvrdit, že tření generuje tenkou vrstvu kapalné vody. Ta je velmi kluzká a daleko tenčí, než se předpokládalo. Vrstvička je viskózní jako olej a dosahuje hodnoty až stovek mPa.s, tedy o dva řády vyšších hodnot, než má voda.
Podle jednoho z možných vysvětlení se ledový povrch, po kterém objekt klouže, nemění na vodu v celém rozsahu, ale jde o směs rozdrceného ledu a kapalné vody. Tato směs by mohla mezi pevným ledem a kuličkou fungovat jako mazivo a bránit přímému kontaktu obou povrchů. Vedlejší experimenty francouzského týmu navíc ukázaly, že když je kulička hydrofobní, snižuje se tření ještě víc, a to změnou viskozity na rozhraní.
Výsledky francouzských fyziků ukázaly, že dosavadní popisy vzniku kapalné vrstvy potřebují přepracovat. Nová teorie by mohla vést až k pochopení fyzikální podstaty klouzání po ledě, což by mohlo být užitečné pro řadu odvětví – od sportu přes průmysl až třeba k ekologii (pohyb ledovců).
Původní práce byla uveřejněna ve Physical Review X.
Mohlo by vás zajímat:
Magický
úhel v grafenu opět v centru pozornosti
Kvantový
darwinismus v diamantu
Atomy
plynu se řítí k supermasivní černé díře rychlostí 5000 km/s
Nová
technologie pro umělé vidění