لماذا الجليد الزلقة: إجابة علمية لسؤال الأطفال

عندما كنا صغيرين ، كان على والدينا الإجابة على مئات الأسئلة: لماذا السماء زرقاء ، لماذا العشب أخضر ، لماذا الماء المغلي ساخن ، لماذا لا يمكنك تناول الحلويات فقط ، إلخ. الفضول والرغبة في فهم العالم من حولنا يرافقنا طوال حياتنا. ينمو شخص ما وتصبح هذه الأسئلة ثانوية بالنسبة له ، ويبدأ شخص ما في البحث عن إجابات في الفيزياء والكيمياء والعلوم الأخرى. اليوم سننظر في دراسة أجراها علماء من جامعة باريس ، قرروا خلالها أن يفحصوا بمزيد من التفصيل الطبيعة الزلقة للجليد. ما الاكتشافات المثيرة التي حققها العلماء ، نتعلم من تقريرهم. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

الجليد والثلج زلقان لأنهما يتمتعان بمعامل منخفض من الاحتكاك. إذا كان كل شيء مختلفًا ، فلن تكون لعبة التزحلق على الجليد والهوكي والبوبلي وغيرها من الرياضات الشتوية مثيرة للغاية ، ولن ينزلق المارة على الرصيف المتجمد ، ويظهرون القصاصات الهوائية التي يحسدها أي متزلج.

يعتمد الجليد الزلق على طبقة من الماء يتراوح سمكها بين 1 و 100 نانومتر ، اعتمادًا على درجة الحرارة. تم تأسيس هذا بفضل عمل مايكل فاراداي. ومع ذلك ، لا يزال العلماء يجادلون حول طبيعة هذه الطبقة ، وآلية حدوثها والتفاعل مع الأشياء الأخرى.

في الدراسات الحديثة نسبيًا ، تبين أن الدور الرئيسي في الانزلاق على الجليد لا يؤديه الاحتكاك بسبب الضغط ، ولكن عن طريق الاحتكاك بالذوبان: يؤدي تبديد اللزوجة إلى توليد الحرارة ، مما يرفع درجة الحرارة في منطقة التلامس إلى درجة حرارة الانصهار ، مما ينتج عنه فيلم تشحيم بالماء. تم بناء هذا البيان على أساس نظري وقياسات جزيئية ، حيث أنه من الصعب للغاية في الممارسة العملية نظرًا لحقيقة أن فيلم ذوبان الماء يتم إنشاؤه ديناميكيًا وثابتًا عن طريق الانزلاق ، مما يجعل التفاعل بين الجليد وفيلم مائي بعيد المنال لدراسة مفصلة. وبسبب التباين المنخفض للواجهة ، فإنه من غير المنطقي ببساطة استخدام الطرق القياسية لقياس التداخل.

كما اتضح ، كونه مركبًا بسيطًا ، جعل الماء العديد من العلماء يكسرون رؤوسهم ، والذين نتيجة لأساليبهم التجريبية لدراسة خصائصه على سطح الجليد ، توصلوا إلى استنتاجات مختلفة تمامًا. على سبيل المثال ، توضح إحدى الطرق أن سمك فيلم الماء يتراوح من 5 إلى 10 ميكرونات ، والآخر أقل من 50 نانومتر. وقد استبعدت القياسات الحديثة لدرجة الحرارة المحلية الانصهار التام لفيلم الماء بين السطوح أثناء الانزلاق ، وهو ما يتناقض مع التفسير الموضح أعلاه (ذوبان الاحتكاك).

بغض النظر عن مدى قد يبدو الجليد البسيط والشفاف للوهلة الأولى ، فقد تبين أن دراسة خصائصه معقدة ومربكة. والسبب في ذلك هو عدم كفاءة أساليب الدراسة الحالية ، لذلك ، في الدراسة التي ندرسها اليوم ، اقترح العلماء مقاربة جديدة تمامًا تسمح لنا بفصل المكونات المادية المختلفة.

تمكن العلماء من دراسة احتكاك منزلق المليمتر (مسبار) على الجليد والخواص الميكانيكية بينية المقابلة لفيلم مذاب بالماء في المقياس النانوي. لهذا الغرض ، تم استخدام مجهر القوة الذرية المسح ، والذي تم تزويده بجهاز قياس النانو بدقة النانو.

التحضير للتجربة

الصورة رقم 1

يوضح الشكل 1 أ إعدادًا تجريبيًا يحتوي على شوكة توليف ثنائية الوضع لمجهر القوة الذرية. تقع الوحدة في غرفة باردة مع درجة حرارة محكومة تتراوح من 16 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية ورطوبة نسبية تتراوح بين 70 و 80 ٪. كما العينات قيد الدراسة ، تم استخدام قطع من الثلج بحجم سم تم الحصول عليها من الماء منزوع الأيونات.

تم لصق كرة زجاجية من البورسليكات المصغرة على أحد أسنان شوكة ضبط الألمنيوم. يمكن تصميم النظام بالكامل بدقة شديدة كنظام زنبرك الحمولة (مذبذب متناسق) ذو عامل صلابة عالٍ K _T ≈ 102 kNm ^-1 و Q Q ≈ 2500. ثم ، يؤدي الإثارة الكهرومغناطيسية عند تردد صدى الشوكة التوليفية f _T ≃ 560 Hz إلى حركة تذبذبية جانبية للكرة بالتوازي مع سطح الجليد (السهم الأحمر على 1A ).

يتم التحكم في السعة α _T وتحول الطور ϕ _T للكرة بواسطة مقياس التسارع الملصق بأحد الأسنان. الكرة المذبذبة على اتصال مع سطح الجليد عن طريق عنصر كهرضغطية مع مستشعر موضع مدمج بدقة نانومترية.

بعد ذلك ، تحدث حركة انزلاق جانبية للكرة ، والتي تنزلق بحدة فوق الجليد بسعة α _T ～ 1–30 ميكرون وسرعة U = 2πα _T f _T ، تساوي عادةً 0.1 مللي ثانية ^-1 .

تحافظ حلقة قفل الطور على النظام في الرنين عن طريق ضبط تردد الإثارة f _T ، ويتم قياس قوة الاحتكاك العرضي F _{F من} خلال تتبع قوة الإثارة F ^em _T اللازمة للحفاظ على سعة التذبذب الثابتة عند الانزلاق وفقًا F _F = (K _T / Q _T ) (F ^em _T / F ^em _T، - 1) x α _T.

استخدم العلماء أيضًا الاهتزازات (الترتيب) عالية الترتيب العادية لشوكة الموالفة نفسها: أولاً ، يتم تحفيز الوضع الأول ، ويرتبط بتردد الرنين f _N ≃ 960 هرتز (K _N ～ 103 kNm ^-1 ، Q _N ～ 200) ، وقياس القوة المقابلة.

باستخدام مثل هذا مجس صغير (كرة) بسعة تذبذب صغيرة (50 نانومتر) يجعل من الممكن قياس المعاوقة الميكانيكية الطبيعية للثلج التي تتلامس مع المسبار ، Z * _N = F * _N / α _N (F * _N هي القوة الطبيعية المعقدة التي تعمل على المجال).

وفقًا للعلماء ، تتيح لنا تقنية التراكب الموصوف (فصل أحد المجمعات إلى عدة مكونات بسيطة) دراسة الخصائص الميكانيكية للواجهة ، بينما ينزلق الانزلاق العرضي على طول السطح الجانبي للجليد مبادئ قياس تراكب التراكب (دراسة تجريبية لتشوه وسيولة مادة). وبعبارة أخرى ، فإن مثل هذا الإعداد يسمح بعلم القياس المتزامن وريولوجيا الاتصال بين العينة والمسبار (الجليد والكرة).

يدعي العلماء أن طريقتهم الجديدة تسمح بإجراء دراسة أكثر دقة لآلية انزلاق الكائنات على الجليد ، كما يدعي أيضًا درجة عالية من الدقة والكفاءة في التركيب المطوّر ، وهو ما تؤكده التجارب الناجحة مع السوائل الأخرى (زيت السيليكون ، والسوائل الأيونية ، والبولي إيثيلين غليكول 1000 ، إلخ) . د.). تم تحديد خصائص هذه السوائل مسبقًا ، لأنه عندما سمح لنا الإعداد التجريبي بالحصول على نتائج معروفة مسبقًا ، أكد ذلك قابليتها للتشغيل وفعاليتها.

إجراء التجربة

أولاً ، تم إجراء اختبار تجريبي للكرة ، وهو ضروري لمحاذاة أسطح المجس والعينة فيما يتعلق ببعضها البعض. بعد ذلك تم خفض المجس ببطء إلى العينة لتحقيق اتصال بينهما ( 1 ب ): يزداد عمق المسافة البادئة ، ويزداد قوة الاحتكاك عندما يبدأ المسبار في الانزلاق على الجليد. تم الاحتفاظ المسافة البادئة القصوى صغيرة بما فيه الكفاية δ ₀ ～ 3 ميكرون لمنع تبديد.

تم ضبط المعاوقة المحافظة العادية Z ' _N على Z' _N0 عن طريق ضبط الحد الأقصى لموضع المسافة البادئة δ ₀ . تحدث عملية الضبط هذه عن طريق تثبيت الحمل على الكرة ، والذي يتم الحصول عليه من خلال دمج التدرج Z'N على عمق المسافة البادئة. وهذا ، بدوره ، يسمح لك بتغيير قوة الاحتكاك الجانبي (الجانبي) لحمل معين ( 1b ).

بعد ذلك ، يتم إزالة الكرة من العينة ، والتي تنخفض قوة الاحتكاك تدريجياً إلى الصفر.

وبالتالي ، من الممكن دراسة جميع جوانب عملية تلامس كائن ما بالجليد عند تحميل محدد وفي نقاط اتصال مختلفة.

نتائج التجربة

يمثل الرسم البياني 1c قوة الاحتكاك الجانبي F _T كدالة للسرعة العرضية U المرتبطة بـ α _T في المدى 1 ... 30 ميكرون. لا تختفي قوة الاحتكاك عند السرعات المنخفضة ، مثل الاحتكاك على مادة صلبة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك توهين ضعيف لقوة الاحتكاك اعتمادًا على السرعة: F _T ∝ U ^-γ ، حيث γ ～ 0.3 - 0.5.

وقد وجد أيضًا أن سرعة الاحتكاك تتناسب مع الحمل الطبيعي بسرعة ثابتة. يشير هذا إلى احتكاك "شديد التشابه" ، يكون معامله هو 0.01 = 0.015.

أجريت التجارب التالية ، لكن في درجات حرارة مختلفة ، مما سمح لنا بتحديد الاعتماد على درجة الحرارة لقوة الاحتكاك ( 1d ).

عند درجة حرارة قريبة من نقطة الانصهار ، تزداد قوة الاحتكاك تدريجياً. تجدر الإشارة إلى أن هناك الحد الأدنى من درجة الحرارة التي يكون فيها الحد الأدنى من قوة الاحتكاك. لهذه التجربة ، وجد أن درجة الحرارة هذه ستكون أقل من -10 درجة مئوية. ومع ذلك ، ليس من الممكن بعد التحقيق في درجات الحرارة المنخفضة (أقل من -16 درجة مئوية) على الإعداد التجريبي قيد الدراسة.


الصورة رقم 2

كانت المرحلة التالية من الدراسة هي تحديد الخواص الميكانيكية للواجهة أثناء الانزلاق. تم قياس الأجزاء الحقيقية (Z ' _N ) والخيالية (Z' ' _N ) للمقاومة الميكانيكية ، والتي ترتبط بالاستجابة المرنة والمتباعدة للواجهة.

يوضح الشكل 2 أ قياسات المعاوقة الميكانيكية الطبيعية عند ملامسة المجس والعينة ، وكذلك عند إزالة المجس من العينة. في هذه الحالة ، لوحظ اتجاه مشابه لقوة الاحتكاك (F _F ): هضبة أثناء التنظيم في Z ' _N0 ، تليها انخفاض تدريجي خلال تراجع التحقيق. تم تقدير التبديد من خلال بناء الوظيفة العكسية لاعتماد الممانعة التباعدية 1 / Z _N على مسافة إزالة المجس ( 2b ). يتمثل أحد الجوانب المهمة لهذا القياس في حقيقة أن الممانعة تختلف خطيًا فيما يتعلق بمسافة الصنبور. فقط مع مسافة التراجع الكبيرة ، تنكسر هذه العملية قليلاً ، وتحدث انحرافات طفيفة عن السلوك الخطي.

لسرعة انزلاق غير متلاشية U ، يُظهر السائل الوسيط تفاعلًا لزجًا أثناء إزالة المجس. يشير السلوك الخطي الملحوظ لـ 1 / Z _{N N} كدالة لـ d أيضًا إلى أن اللزوجة η _R مستقلة عن عمق المسافة البادئة.

تجدر الإشارة أيضًا إلى أن سمك الفيلم الهيدروديناميكي h _{hyd غير} ثابت ، ولكن تم ضبطه بشكل مستقل لتحقيق قيمة ثابتة. وفقًا للعلاقة الخطية بين h _hyd و 1 / Z ' _N ، يمكن حساب سمك الفيلم الثابت (h ₀ ) من قياسات معامل التبديد Z' _N.

يمكن أن نرى في الشكل 2 أ أنه في وضع التحكم ، تصل Z '' _N إلى هضبة معبر عنها كدالة لاعتماد الوقت وسرعة تلامس العينة مع المسبار والحمل العادي. لذلك ، باستخدام الصيغة أعلاه ، يمكن اشتقاق قيمة سماكة الغشاء الثابت ( 2b ).

يمكن أيضًا افتراض أن سمك الهيدروديناميكي سيكون مجموع سمك الفيلم الفعلي وطول الانزلاق ، إن وجد. ومع ذلك ، نظرًا لطبيعة الجليد المحبة للماء ، من المتوقع أيضًا أن يكون طول الانزلاق صغيراً للغاية (بضعة نانومتر) ، لأن سمك الهيدروديناميكية ينبغي اعتباره سماكة الغشاء الفعلي.

التجارب التي أجريت في درجات حرارة مختلفة ، وسرعة انزلاق ، والأحمال جعلت من الممكن عمليا تحديد سمك الفيلم الثابت. يوضح الشكل 2c كيف يختلف سمك الفيلم اعتمادًا على السرعة العرضية. كان يُعتقد سابقًا أن الزيادة في السرعة تؤدي إلى زيادة مباشرة في السُمك ، ولكن في الممارسة العملية وُجد أنه لا يوجد أي اتصال عمليًا. وقد لوحظ نفس الاقتران الضعيف فيما يتعلق بالسمك والحمل. ولكن درجة الحرارة كان لها بالفعل تأثير واضح على سماكة الفيلم ( 2d ): زاد سمك من 100 إلى 500 نانومتر مع زيادة درجة الحرارة. أيضا ، أظهرت الملاحظات أن سماكة الفيلم الثابت أكبر بنحو 4 مرات من سماكة أفلام التوازن في حالة ما قبل الانصهار (اللون الأزرق الفاتح بمقدار 2d ).

كانت الملاحظة المهمة الأخرى خلال التجارب هي تحديد الريولوجيا اللزجة للفيلم البيني في وقت الانزلاق.


الصورة رقم 3

يُبيِّن الرسم البياني 3 أ انعكاس المقاومة المرنة 1 / Z ' _N ، مما يدل على تغيير خطي مع زيادة مسافة الفصل d أثناء إزالة المجس من العينة.

كشفت التجارب التي أجريت على متغيرات مختلفة (السرعة ودرجة الحرارة) حقيقة أن تقاطعات خطية للمرونة العكسية ووحدات تبديد تتقاطع عند الصفر الهيدروديناميكي نفسه مع خطأ قدره 30 ٪. صورة مماثلة شائعة جدا بالنسبة للسوائل المعقدة (البوليمرات والكهارل).

أظهرت حسابات نتائج الملاحظة أن اللزوجة المقاسة η _R أثناء الانزلاق أعلى بكثير من اللزوجة النموذجية للمياه فائقة البرودة (تحت درجة حرارة التبلور) عند نفس درجة الحرارة (الخط البرتقالي المتقطع عند 3 ب ). تتحلل اللزوجة تدريجياً اعتمادًا على السرعة العرضية ، على غرار قوة الاحتكاك: η _{R ، I} ∝ U ^−α ، حيث α ～ 0.3-0.5 ( 3b ).

الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أن η _R تزداد بدرجة كبيرة عند الاقتراب من نقطة الانصهار وتصل إلى قيمة أكبر مرتين من قيمة الماء عند 0 درجة مئوية ( 4 أ ).


الصورة رقم 4

جميع الملاحظات المذكورة أعلاه ، وفقًا للباحثين أنفسهم ، تؤكد على الريولوجيا المعقدة والمدهشة في ذوبان الماء. أولاً ، يصبح فيلم الماء البيني أثناء الانزلاق "لزجًا مثل الزيت" (كلمات العلماء) ، أي لها اللزوجة 2 مرات أعلى من المياه العادية. هذه الملاحظة تجعل من الممكن فهم كيف يمكن للجليد أن ينزلق عندما يُعتبر الماء مادة تشحيم فقيرة للغاية. وبالتالي ، فإن طبقة رقيقة على سطح الجليد تحد من المسافة البادئة لجسم ينزلق عليه ، والتي تتجنب الاتصال المباشر بين هاتين المواد الصلبة (الجليد ونصل الزلاجات ، على سبيل المثال).

اتضح أن الماء المتشكل في شكل فيلم على سطح الجليد في لحظة الانزلاق هو مادة تشحيم ممتازة ، على عكس الماء العادي.

قرر العلماء اختبار نموذجهم مرة أخرى ، ولكن مع إضافة طلاء مسعور من المسبار ، لأنه في الرياضات الشتوية غالباً ما يتم استخدام طلاء (مثل الشمع) للحد من الاحتكاك.

اختلف الإعداد التجريبي فقط في أن مسبار الزجاج الكروي هذه المرة كان مطليًا بطبقة من المونوسيلان (SiH ₄ ).


الصورة رقم 5

في الواقع ، انخفض الاحتكاك بالمقارنة مع التجارب السابقة بنسبة 10 مرات. أصبح انخفاض الاحتكاك أكثر وضوحًا عند الوصول إلى نقطة الانصهار.

وقد وجد أن الانخفاض في الاحتكاك لا يرتبط بسمك الغشاء الهيدروديناميكي المتغير ( 5 ب ). وهناك استنتاجان: أولاً ، هذا يلغي تأثير الانزلاق الهيدروديناميكي المحدود على السطح ، وهو أمر معتاد بالنسبة للسوائل المعقدة ؛ ثانياً ، يؤكد ذلك أن سمك الهيدروديناميكية لا يخضع لتأثير الانزلاق ، حتى في حالة وجود مجس نظيف (بدون طلاء SiH ₄ ).

على الأرجح ، هناك انخفاض في الجزء المادي من اللزوجة بالنسبة إلى مسبار الكارهة للماء مقارنةً بالمادة المحبة للماء. يتم تضخيم هذا التأثير مع اقتراب درجة الحرارة من نقطة الانصهار ( 5c ).

تصف التجارب التي أجريت جيدًا الجوانب المختلفة لتأثير عمليات النانومتر على الاحتكاك العياني للجليد. لكن من المستحيل تطبيق مثل هذه الاستنتاجات على الثلج ، لأنه مادة أكثر تعقيدًا. لذلك ، لم تتم دراسة خصائصه في قضايا الانزلاق في المستقبل.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه.

خاتمة

ليس كل شيء بسيط كما يبدو. هذه الدراسة ، وفقًا للبيانات الجريئة لمؤلفيها ، تغير تمامًا فهمنا لآليات الانزلاق على الجليد والعمليات التي تحدث في هذه اللحظة.

سمح لنا استخدام طريقة بحثية جديدة أكثر دقة من سابقاتها ، بالحصول على نتائج مذهلة. أصبح فيلم الماء الذي يغطي سطح الجليد ، في الوقت الذي انزلق فيه المسبار ، لزجًا ، مثل الزيت ، مما يمنع الاتصال بين الجليد والمسبار ويسمح للمسبار بالانزلاق فوق السطح.

يعتقد العلماء أن عملهم لا يعود بالنفع النظري فحسب ، بل يعطي فهمًا أوسع للبيئة ، ولكنه أيضًا تطبيق عملي. طبيعة التشحيم الذاتي للجليد تؤدي إلى إنشاء ودراسة المواد الصلبة اللينة والمتغيرة الطور ، والتي يمكن أن تكون بمثابة أفلام مضادة للتآكل.

على أي حال ، نحن الآن نعرف ما يحدث عندما نتزلج أو نقع ، ننزلق على الجليد الذي يرش بالثلج ، ونلقي بن في الهواء إلى ارتفاع الطابق الثاني (تجربة شخصية :)).

شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ، وانظر إلى قدميك وامضِ أسبوعًا جيدًا في العمل ، أيها الرجال! :)

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك ، سحابة VPS للمطورين من 4.99 دولار ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من الخوادم على مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 النوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 دولار أو كيفية مشاركة خادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟