Amerikāņu fiziķi tomēr noskaidroja, kāpēc ledus ir slidens 0 70

Lai gan ledus šķiet vienkārša viela, iemesls, kāpēc tas ir tik slidens, līdz šim bija strīda jautājums. Nesen fiziķi parādīja, ka, pārvietojoties pa ledu, berze nedaudz silda tā virsmu. Tas noved pie ļoti plānas ūdens plēnītes veidošanās, kas darbojas kā eļļošanas slānis. Dažas šī mehānisma detaļas zinātniekiem vēl jāprecizē.

Ledus slidenība ilgi palika viena no klasiskiem fizikas mīklām. Maikls Faradejs jau XIX gadsimtā pieņēma, ka uz ledus virsmas pašsākotnēji veidojas plāns šķidrs slānis — tā sauktais priekškūšanas slānis, kas atvieglo slīdēšanu. Vēlāk radās cita hipotēze: spiediens, ko rada slidas vai citi priekšmeti, var pazemināt ledus kušanas temperatūru, izraisot lokālu kusumu.

20. gadsimtā fiziķi Franks Bowdens un Tomass Hjūzs piedāvāja trešo skaidrojumu — berzes radīts sasilums. Pēc šīs idejas kustība pa ledu rada siltumu, kas izkausē plānu virsmas slāni un veido ūdens eļļojošu slāni. Tomēr, neskatoties uz desmitgadēm ilgiem pētījumiem, vienota skaidrojuma nebija: dažādi eksperimenti un datormodeli norādīja uz dažādiem mehānismiem.

Jaunā darba autori, kas publicēts Korneļa universitātes (Ņujorkas štats, ASV) preprintu serverī, mēģināja apvienot visus scenārijus, izmantojot daudzlīmeņu modelēšanu — metodi sarežģītu sistēmu pētīšanai, apvienojot modeļus ar dažādiem mērogiem vai detalizācijas līmeņiem. Vispirms modelēja berzi starp ledu un stiklu atsevišķu atomu un ūdens molekulu līmenī. Šī pieeja ļāva atklāt berzes spēka atkarību no temperatūras un slīdēšanas ātruma mikroskopiskajās kontaktzonās.

Tomēr šīm simulācijām nepietika. Problēma bija tā, ka tās deva nepareizu berzes atkarību no ātruma: modelī berze palielinājās, paātrinoties kustībai, kamēr reālajos eksperimentos novērota pretēja tendence.

Lai novērstu šo pretrunu, aprēķinos iekļāva siltuma atbrīvošanas efektu. Kad objekts kustas pa ledu, kontakts notiek nevis pa visu virsmu, bet tikai nelielās mikronevienmērībās. Tieši šajās vietās rodas intensīva berze, kas atbrīvo siltumu. Jo īpaši pie ātruma vien aptuveni 0,1 metra sekundē kontakta zonā temperatūra var strauji pieaugt un pietuvināties ledus kušanas punktam.

Temperatūras paaugstināšanās arī veicina šķidrumam līdzīga ūdens slāņa veidošanos uz virsmas. Tālāk plēnītes biezums palielinās, tās viskozitāte samazinās, kas strauji samazina kustības pretestību. Rezultātā makroskopiskā līmenī berze samazinās — tieši tā, kā to rāda reālie ledus eksperimenti.

Salīdzinot iegūtos datus ar laboratoriskajiem berzes mērījumiem un pat ar novērojumiem par akmeņu kustību kērlingā, izrādījās, ka aprēķini labi atspoguļo novērojamo „uzvedību”. Tādējādi fiziķi beidzot parādīja, ka ledus slidenība rodas no vairāku procesu kombinācijas, taču izšķirošu lomu spēlē tieši berzes radītā sasilšana.

Turklāt virsmas ūdens slānis un ledus strukturālās izmaiņas var piedalīties plēnītes veidošanā, taču bez siltuma efekta tās nespēj izskaidrot berzes atkarību no ātruma. Atklājums palīdz saliedēt dažādas teorijas un piedāvā vispusīgāku ainu par vienu no zināmākajiem un pretrunīgākajiem fizikas fenomiem ikdienā.