Por qué el hielo es resbaladizo: una respuesta científica a la pregunta de un niño

Cuando éramos pequeños, nuestros padres tenían que responder cientos de preguntas: por qué el cielo es azul, por qué la hierba es verde, por qué el agua hirviendo está caliente, por qué no puedes comer solo dulces, etc. La curiosidad y el deseo de entender el mundo que nos rodea nos acompañan toda la vida. Alguien crece y estas preguntas se vuelven secundarias para él, y alguien comienza a buscar respuestas en física, química y otras ciencias. Hoy consideraremos un estudio realizado por científicos de la Universidad de París, en el que decidieron examinar con más detalle la naturaleza resbaladiza del hielo. De los descubrimientos interesantes que los científicos han hecho, aprendemos de su informe. Vamos

Base de estudio

El hielo y la nieve son resbaladizos porque tienen un bajo coeficiente de fricción. Si todo fuera diferente, entonces el patinaje artístico, el hockey, el bobsleigh y otros deportes de invierno no serían tan emocionantes, y los transeúntes no se deslizarían en la acera congelada, mostrando piruetas aéreas que cualquier patinadora envidiaría.

El hielo resbaladizo se basa en una capa de agua de 1 a 100 nm de espesor, dependiendo de la temperatura. Esto se estableció gracias al trabajo de Michael Faraday. Sin embargo, los científicos aún discuten sobre la naturaleza de esta capa, el mecanismo de su aparición e interacción con otros objetos.

En estudios relativamente recientes, se descubrió que el papel principal en el deslizamiento sobre el hielo no se juega por la fricción debida a la presión, sino por la fusión por fricción: la disipación viscosa genera calor, lo que eleva la temperatura en la región de contacto a la temperatura de fusión, lo que resulta en una película lubricante con agua. Esta declaración se construyó sobre una base teórica y medidas moleculares, ya que en la práctica es extremadamente difícil de estudiar debido al hecho de que una película de agua fundida se genera de forma dinámica y autoconsistente mediante deslizamiento, lo que hace que la interfaz entre el hielo y una película de agua sea casi esquiva para un estudio detallado. Y debido al bajo contraste de la interfaz, simplemente no tiene sentido usar métodos estándar de interferometría.

Al final resultó que, siendo un compuesto tan simple, el agua hizo que muchos científicos se rompieran la cabeza, quienes, como resultado de sus métodos experimentales para estudiar sus propiedades en la superficie del hielo, llegaron a conclusiones completamente diferentes. Por ejemplo, un método muestra que el espesor de la película de agua es de 5-10 micras, y el otro es inferior a 50 nm. Y las mediciones recientes de la temperatura local han excluido la fusión completa de la película de agua interfacial durante el deslizamiento, lo que contradice la explicación descrita anteriormente (fusión por fricción).

No importa cuán simple y transparente pueda parecer el hielo a primera vista, el estudio de sus propiedades resultó ser complicado y confuso. Y la razón de esto es la ineficiencia de los métodos de estudio existentes, por lo tanto, en el estudio que estamos considerando hoy, los científicos han propuesto un enfoque completamente nuevo que nos permite separar los diversos componentes físicos.

Los científicos pudieron estudiar simultáneamente la fricción de un deslizador (sonda) milimétrico en hielo y las propiedades mecánicas interfaciales correspondientes de una película de agua fundida a nanoescala. Para esto, se usó un microscopio de fuerza atómica de barrido mejorado, que estaba equipado con un nanómetro con precisión a nanoescala.

Preparándose para el experimento

Imagen No. 1

La Figura 1a muestra una configuración experimental que contiene un diapasón de modo dual para un microscopio de fuerza atómica. La unidad estaba ubicada en una cámara fría con una temperatura controlada de −16 ° C a 0 ° C y una humedad relativa del 70–80%. Como las muestras en estudio, se utilizaron trozos de hielo de un centímetro de agua obtenida del agua desionizada.

Una esfera de vidrio de borosilicato en miniatura estaba pegada a uno de los dientes de un diapasón de aluminio. Todo el sistema se puede modelar con mucha precisión como un sistema de resorte de carga (oscilador armónico) de alta rigidez K _T ≈ 102 kNm ^-1 y factor Q Q _T ≈ 2500. Luego, la excitación electromagnética en la frecuencia de resonancia del diapasón f _T ≃ 560 Hz conduce al movimiento oscilatorio lateral de la esfera paralela a la superficie del hielo (flecha roja en 1a ).

La amplitud α _T y el desplazamiento de fase ϕ _{T de la} esfera están controlados por un acelerómetro pegado a uno de los dientes. La esfera oscilante está en contacto con la superficie del hielo mediante un elemento piezoeléctrico con un sensor de posición incorporado de resolución nanométrica.

A continuación, se produce un movimiento de deslizamiento lateral de la esfera, que se desliza bruscamente sobre el hielo con una amplitud α _T ～ 1–30 μm y una velocidad U = 2πα _T f _T , generalmente igual a 0.1 ms ⁻¹ .

Un bucle de fase bloqueada mantiene el sistema en resonancia ajustando la frecuencia de excitación f _T , y la fuerza de fricción tangencial F _F se mide siguiendo la fuerza de excitación F ^em _T necesaria para mantener una amplitud constante de oscilación durante el deslizamiento de acuerdo con F _F = (K _T / Q _T ) (F ^em _T / F ^em _T, - 1) x α _T.

Los científicos también usaron vibraciones (modos) normales de alto orden del diapasón en sí: primero, el primer modo está excitado, asociado con la frecuencia resonante f _N ≃ 960 Hz (K _N ～ 103 kNm ^-1 , Q _N ～ 200), y mide la fuerza correspondiente.

El uso de una sonda (esfera) tan pequeña con una amplitud de oscilación pequeña (50 nm) permite medir la impedancia mecánica normal del hielo que entra en contacto con la sonda, Z * _N = F * _N / α _N (F * _N es la fuerza normal compleja que actúa sobre alcance).

La técnica descrita de superposición (separación de un complejo en varios componentes simples), según los científicos, nos permite estudiar las propiedades mecánicas de la interfaz, mientras que el deslizamiento tangencial a lo largo de la superficie lateral del hielo implementa los principios de la reometría de superposición (estudio experimental de deformación y fluidez de una sustancia). En otras palabras, tal configuración permite tribometría y reología simultáneas del contacto entre la muestra y la sonda (hielo y esfera).

Los científicos sostienen que su nueva metodología permite un estudio mucho más preciso del mecanismo de deslizamiento de los objetos en el hielo, y también afirman un alto grado de precisión y eficiencia de la instalación desarrollada, lo que se confirma con experimentos exitosos con otros líquidos (aceite de silicona, líquidos iónicos, polietilenglicol 1000, etc.). .d.). Las propiedades de estos líquidos se establecieron previamente, porque cuando la configuración experimental nos permitió obtener resultados conocidos de antemano, esto confirmó su operatividad y efectividad.

Procedimiento experimental

Primero, se llevó a cabo una prueba de la esfera, necesaria para alinear las superficies de la sonda y la muestra entre sí. Luego, la sonda se bajó lentamente a la muestra para lograr el contacto entre ellas ( 1b ): la profundidad de indentación δ aumenta, y la fuerza de fricción aumenta cuando la sonda comienza a deslizarse sobre hielo. La sangría máxima se mantuvo suficientemente pequeña δ ₀ ～ 3 μm para evitar la disipación.

La impedancia conservadora normal Z ' _N se ajustó a Z' _N0 ajustando la posición de sangría máxima δ ₀ . Este proceso de ajuste ocurre fijando la carga en la esfera, que se obtiene integrando el gradiente Z'N sobre la profundidad de la sangría. Y esto, a su vez, le permite cambiar la fuerza de fricción lateral (lateral) para una carga dada ( 1b ).

Después de esto, la esfera se retira de la muestra, por lo que la fuerza de fricción disminuye gradualmente a cero.

Por lo tanto, es posible estudiar todos los aspectos del proceso de contacto de un objeto con hielo en una carga específica y en diferentes puntos de contacto.

Resultados del experimento

El gráfico 1c representa la fuerza de fricción lateral F _T en función de la velocidad tangencial U asociada con α _T en el rango de 1 ... 30 μm. La fuerza de fricción no desaparece a bajas velocidades, como la fricción en un sólido. Además, hay una débil atenuación de la fuerza de fricción dependiendo de la velocidad: F _T ∝ U ^-γ , donde γ ～ 0.3 - 0.5.

También se descubrió que a una velocidad fija, la fuerza de fricción es proporcional a la carga normal. Esto indica una fricción "dura", cuyo coeficiente es µ = 0.015.

Se llevaron a cabo los siguientes experimentos, pero a diferentes temperaturas, lo que nos permitió determinar la dependencia de la temperatura de la fuerza de fricción ( 1d ).

A una temperatura cercana al punto de fusión, la fuerza de fricción aumenta gradualmente. Vale la pena señalar que hay una temperatura mínima a la que hay una fuerza de fricción mínima. Para este experimento, se descubrió que esta temperatura sería inferior a -10 ° C. Sin embargo, aún no es posible investigar temperaturas más bajas (por debajo de -16 ° C) en la configuración experimental bajo consideración.


Imagen No. 2

La siguiente etapa del estudio fue establecer las propiedades mecánicas de la interfaz durante el deslizamiento. Se midieron las partes reales (Z ' _N ) e imaginarias (Z' ' _N ) de la impedancia mecánica, que están relacionadas con la respuesta elástica y disipativa de la interfaz.

La Figura 2a muestra las mediciones de la impedancia mecánica normal en el contacto de la sonda y la muestra, así como cuando la sonda se retira de la muestra. En este caso, se observa una tendencia similar a la fuerza de fricción (F _F ): una meseta durante la regulación en Z ' _N0 , seguida de una disminución gradual durante la retracción de la sonda. La disipación se estimó construyendo la función inversa de la dependencia de la impedancia disipativa 1 / Z Z _N en la distancia de extracción de la sonda ( 2b ). Un aspecto importante de esta medición es el hecho de que la impedancia varía linealmente con respecto a la distancia de derivación. Solo con una distancia de retracción significativa este proceso se rompe ligeramente y se producen ligeras desviaciones del comportamiento lineal.

Para una velocidad de deslizamiento U que no desaparece, el fluido intermedio exhibe una reacción viscosa durante la extracción de la sonda. El comportamiento lineal observado de 1 / Z _{N N} en función de d también indica que la viscosidad η _R es independiente de la profundidad de indentación.

También vale la pena señalar que el espesor de la película hidrodinámica h _hid no _es fijo, sino que se ajusta independientemente para lograr un valor estacionario. De acuerdo con la relación lineal entre h _hyd y 1 / Z ' _N , el espesor de la película fija (h ₀ ) se puede calcular a partir de mediciones del módulo de disipación Z' _N.

Se puede ver en la figura 2a que, en el modo de control, Z '' _N alcanza una meseta, expresada en función de la dependencia del tiempo, la velocidad de contacto de la muestra con la sonda y la carga normal. Por lo tanto, utilizando la fórmula anterior, se puede obtener el valor del espesor de película constante ( 2b ).

También se puede suponer que el espesor hidrodinámico será la suma del espesor real de la película y la longitud de deslizamiento, si corresponde. Sin embargo, dada la naturaleza hidrofílica del hielo, también es de esperar que la longitud de deslizamiento sea extremadamente pequeña (unos pocos nanómetros), porque el espesor hidrodinámico debe considerarse como el espesor real de la película.

Los experimentos realizados en los que se aplicaron diferentes temperaturas, velocidades de deslizamiento y cargas permitieron determinar prácticamente el espesor constante de la película. 2c muestra cómo varía el espesor de la película dependiendo de la velocidad tangencial. Anteriormente se creía que un aumento en la velocidad conduce a un aumento directo en el grosor, pero en la práctica se descubrió que prácticamente no hay conexión. Se observó el mismo acoplamiento débil con respecto al grosor y la carga. Pero la temperatura ya tuvo un efecto pronunciado sobre el grosor de la película ( 2d ): el grosor aumentó de 100 a 500 nm al aumentar la temperatura. Además, las observaciones mostraron que el grosor de la película fija es aproximadamente 4 veces mayor que el de las películas de equilibrio en el estado de fusión previa (color azul claro en 2d ).

Otra observación importante durante los experimentos fue la identificación de la reología viscoelástica de la película interfacial en el momento del deslizamiento.


Imagen No. 3

El gráfico 3a muestra la inversión de la resistencia elástica 1 / Z ' _N , que muestra un cambio lineal al aumentar la distancia de separación d durante la extracción de la sonda de la muestra.

Los experimentos con diferentes variables (velocidad y temperatura) revelaron el hecho de que las extrapolaciones lineales de los módulos de elasticidad inversa y disipación se cruzan en el mismo cero hidrodinámico con un error del 30%. Una imagen similar es bastante común para líquidos complejos (polímeros y polielectrolitos).

Los cálculos de los resultados de la observación mostraron que la viscosidad medida η _R durante el deslizamiento es mucho más alta que la viscosidad típica del agua sobreenfriada (por debajo de la temperatura de cristalización) a la misma temperatura (línea discontinua naranja en 3b ). La viscosidad disminuye gradualmente dependiendo de la velocidad tangencial, similar a la fuerza de fricción: η _{R, I} ∝ U ^−α , donde α ～ 0.3-0.5 ( 3b ).

Lo más interesante es que η _R aumenta mucho al acercarse al punto de fusión y alcanza un valor 2 veces mayor que el del agua a 0 ° C ( 4a ).


Imagen No. 4

Todas las observaciones anteriores, según los propios investigadores, confirman la reología sorprendentemente compleja del agua derretida. En primer lugar, la película de agua interfacial durante el deslizamiento se vuelve "viscosa como el aceite" (palabras de los científicos), es decir. Su viscosidad es 2 veces mayor que la del agua ordinaria. Esta observación permite comprender cómo se desliza el hielo cuando se considera que el agua es un lubricante extremadamente pobre. Por lo tanto, una película delgada en la superficie del hielo limita la indentación de un objeto que se desliza sobre él, lo que evita el contacto directo entre estos dos sólidos (hielo y una cuchilla de patines, por ejemplo).

Resulta que el agua formada en forma de película sobre la superficie del hielo en el momento del deslizamiento es un excelente lubricante, en contraste con el agua corriente.

Los científicos decidieron probar una vez más su modelo, pero con la adición de un recubrimiento hidrofóbico de la sonda, ya que en los deportes de invierno dicho recubrimiento (por ejemplo, cera) se usa muy a menudo para reducir la fricción.

La configuración experimental difería solo en que la sonda esférica de vidrio esta vez estaba recubierta con una capa de monosilano (SiH ₄ ).


Imagen No. 5

De hecho, la fricción en comparación con los experimentos anteriores disminuyó en 10 veces. La disminución de la fricción se hizo más pronunciada cuando se alcanzó el punto de fusión.

Se descubrió que la disminución de la fricción no está relacionada con el cambio del espesor de la película hidrodinámica ( 5b ). Y hay dos conclusiones: en primer lugar, esto elimina el efecto del deslizamiento hidrodinámico finito en la superficie, que es habitual en líquidos complejos; en segundo lugar, esto confirma que el espesor hidrodinámico no está sujeto al efecto deslizante, incluso en el caso de una sonda limpia (sin recubrimiento de SiH ₄ ).

Lo más probable es que haya una disminución en la parte material de la viscosidad de la sonda hidrofóbica en comparación con la sonda hidrofílica. Este efecto se amplifica a medida que la temperatura se acerca al punto de fusión ( 5c ).

Los experimentos realizados describen muy bien varios aspectos de la influencia de los procesos nanométricos en la fricción macroscópica del hielo. Pero es imposible aplicar tales conclusiones a la nieve, ya que es un material aún más complejo. Por lo tanto, sus propiedades en cuestiones de deslizamiento aún no se han estudiado en el futuro.

Para una familiarización más detallada con los matices del estudio, le recomiendo que examine el informe de los científicos y materiales adicionales .

Epílogo

No todo es tan simple como parece. Este estudio, de acuerdo con las audaces declaraciones de sus autores, cambia completamente nuestra comprensión de los mecanismos de deslizamiento sobre hielo y los procesos que ocurren en este momento.

El uso de un nuevo método de investigación, que es mucho más preciso que sus predecesores, nos permitió obtener resultados sorprendentes. La película de agua que cubre la superficie del hielo, en el momento en que la sonda se deslizó sobre ella, se volvió viscosa, como el aceite, evitando así el contacto entre el hielo y la sonda y permitiendo que la sonda se deslice sobre la superficie.

Los científicos creen que su trabajo no es solo de beneficio teórico, ya que proporciona una comprensión más amplia del medio ambiente, sino también una aplicación práctica. La naturaleza autolubricante del hielo conduce a la creación y al estudio de sólidos blandos y de fase variable, que pueden actuar como películas antidesgaste.

Sea como fuere, ahora sabemos lo que sucede cuando patinamos o caemos, deslizándonos sobre el hielo rociado con nieve, lanzando el contenedor en el aire a la altura del segundo piso (experiencia personal :)).

¡Gracias por su atención, sigan curiosos, miren sus pies y tengan una buena semana de trabajo, muchachos! :)

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