Als wir klein waren, mussten unsere Eltern Hunderte von Fragen beantworten: Warum ist der Himmel blau, warum ist das Gras grün, warum ist das kochende Wasser heiß, warum kann man nicht nur Süßigkeiten essen usw. Neugier und der Wunsch, die Welt um uns herum zu verstehen, begleiten uns unser ganzes Leben. Jemand wächst auf und diese Fragen werden für ihn zweitrangig, und jemand beginnt, nach Antworten in Physik, Chemie und anderen Wissenschaften zu suchen. Heute werden wir eine Studie von Wissenschaftlern der Universität Paris betrachten, in der sie beschlossen haben, die Rutschigkeit des Eises genauer zu untersuchen. Welche interessanten Entdeckungen Wissenschaftler gemacht haben, erfahren wir aus ihrem Bericht. Lass uns gehen.
Studienbasis
Eis und Schnee sind rutschig, weil sie einen niedrigen Reibungskoeffizienten haben. Wenn alles anders wäre, wären Eiskunstlauf, Hockey, Bob und andere Wintersportarten nicht so aufregend, und Passanten würden nicht auf dem gefrorenen Bürgersteig ausrutschen und Luftpirouetten zeigen, um die jeder Skater beneiden würde.
Glatteis basiert auf einer Wasserschicht von 1 bis 100 nm Dicke, abhängig von der Temperatur. Dies wurde dank der Arbeit von Michael Faraday gegründet. Wissenschaftler streiten sich jedoch immer noch über die Natur dieser Schicht, den Mechanismus ihres Auftretens und die Interaktion mit anderen Objekten.
In jüngeren Untersuchungen wurde festgestellt, dass beim Gleiten auf Eis nicht die Reibung durch Druck, sondern das reibschlüssige Aufschmelzen die Hauptrolle spielt: Durch viskose Dissipation wird Wärme erzeugt, die die Temperatur im Kontaktbereich auf die Schmelztemperatur ansteigt und zu einem wassergeschmierten Film führt. Diese Aussage basiert auf theoretischen Grundlagen und molekularen Messungen, da es in der Praxis äußerst schwierig ist, diese zu untersuchen, da ein Schmelzwasserfilm durch Gleiten dynamisch und eigenständig erzeugt wird, was die Grenzfläche zwischen Eis und Wasserfilm für eine detaillierte Untersuchung fast unübersichtlich macht. Und wegen des geringen Kontrasts der Schnittstelle ist es einfach nicht sinnvoll, Standardmethoden der Interferometrie zu verwenden.
Es stellte sich heraus, dass Wasser eine so einfache Verbindung war, dass sich viele Wissenschaftler den Kopf brechen mussten. Aufgrund ihrer experimentellen Methoden zur Untersuchung ihrer Eigenschaften auf der Eisoberfläche kamen sie zu völlig anderen Schlussfolgerungen. Beispielsweise zeigt ein Verfahren, dass die Dicke des Wasserfilms 5 bis 10 Mikrometer beträgt und das andere weniger als 50 nm beträgt. Und neuere Messungen der lokalen Temperatur haben das vollständige Schmelzen des Grenzflächenwasserfilms während des Gleitens ausgeschlossen, was der oben beschriebenen Erklärung (Reibungsschmelzen) widerspricht.
Egal wie einfach und transparent Eis auf den ersten Blick erscheinen mag, die Untersuchung seiner Eigenschaften stellte sich als kompliziert und verwirrend heraus. Der Grund dafür ist die Ineffizienz der vorhandenen Untersuchungsmethoden. Daher haben Wissenschaftler in der Studie, die wir heute betrachten, einen völlig neuen Ansatz vorgeschlagen, mit dem wir die verschiedenen physikalischen Komponenten trennen können.
Gleichzeitig konnten die Wissenschaftler die Reibung eines Millimeter-Schiebers (Sonde) auf Eis und die entsprechenden grenzflächenmechanischen Eigenschaften eines Schmelzwasserfilms im Nanomaßstab untersuchen. Hierzu wurde ein verbessertes Rasterkraftmikroskop eingesetzt, das mit einem Nanometer mit nanoskaliger Genauigkeit ausgestattet war.
Vorbereitung für das Experiment
Bild Nr. 1Abbildung
1a zeigt einen Versuchsaufbau mit einer Dual-Mode-Stimmgabel für ein Rasterkraftmikroskop. Das Gerät befand sich in einer Kühlkammer mit einer geregelten Temperatur von –16 ° C bis 0 ° C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 70–80%. Als zu untersuchende Proben wurden Eisstücke mit einer Zentimetergröße verwendet, die aus entionisiertem Wasser erhalten wurden.
Eine Miniatur-Borosilikatglaskugel wurde an einen der Zähne einer Aluminium-Stimmgabel geklebt. Das gesamte System kann sehr genau als Last-Feder-System (harmonischer Oszillator) hoher Steifigkeit K
T ≤ 102 kNm
-1 und Q Faktor Q
T ≤ 2500 modelliert werden. Eine elektromagnetische Anregung bei der Schwinggabelresonanzfrequenz f
T ≤ 560 Hz führt dann zu einer lateralen Oszillationsbewegung der Kugel parallel zur Eisoberfläche (roter Pfeil auf
1a ).
Die Amplitude & agr;
T und die Phasenverschiebung & Dgr;
T der Kugel werden durch einen Beschleunigungsmesser gesteuert, der an einem der Zähne angeklebt ist. Die oszillierende Kugel steht mit Hilfe eines piezoelektrischen Elements mit einem eingebauten Positionssensor mit nanometrischer Auflösung in Kontakt mit der Eisoberfläche.
Anschließend erfolgt eine seitliche Gleitbewegung der Kugel, die mit einer Amplitude α
T T 1–30 μm und einer Geschwindigkeit U = 2πα
T f
T , üblicherweise gleich 0,1 ms
−1 , scharf über das Eis gleitet.
Ein Phasenregelkreis hält das System in Resonanz, indem die Erregerfrequenz f
T eingestellt wird , und die tangentiale Reibungskraft F
F wird gemessen, indem die Erregerkraft F
em T verfolgt wird, die erforderlich ist, um eine konstante Schwingungsamplitude während des Gleitens gemäß F
F = (K
T / Q
T ) aufrechtzuerhalten. (F
em T / F
em T, - 1) x α
T.Die Wissenschaftler verwendeten auch normale Schwingungen (Modi) höherer Ordnung der Stimmgabel selbst: Zunächst wird der erste Modus angeregt, der der Resonanzfrequenz f
N ≃ 960 Hz (K
N ～ 103 kNm
-1 , Q
N ～ 200) zugeordnet ist, und die entsprechende Kraft gemessen.
Mit einer solch kleinen Sonde (Kugel) mit einer kleinen Schwingungsamplitude (50 nm) kann die normale mechanische Impedanz von Eis gemessen werden, das mit der Sonde in Kontakt kommt. Z *
N = F *
N / α
N (F *
N ist die komplexe Normalkraft, die auf die Sonde einwirkt) Anwendungsbereich).
Die beschriebene Technik der Überlagerung (Trennung eines Komplexes in mehrere einfache Komponenten) ermöglicht es uns Wissenschaftlern, die mechanischen Eigenschaften der Grenzfläche zu untersuchen, während das tangentiale Gleiten entlang der Seitenfläche des Eises die Prinzipien der Überlagerungsrheometrie (experimentelle Untersuchung der Verformung und Fließfähigkeit eines Stoffes) implementiert. Mit anderen Worten, ein solcher Aufbau ermöglicht die gleichzeitige Tribometrie und Rheologie des Kontakts zwischen der Probe und der Sonde (Eis und Kugel).
Die Wissenschaftler argumentieren, dass ihre neue Methodik eine viel genauere Untersuchung des Gleitmechanismus von Objekten auf Eis ermöglicht und außerdem ein hohes Maß an Genauigkeit und Effizienz der entwickelten Anlage beansprucht, was durch erfolgreiche Experimente mit anderen Flüssigkeiten (Silikonöl, ionische Flüssigkeiten, Polyethylenglykol 1000 usw.) bestätigt wird. .d.). Die Eigenschaften dieser Flüssigkeiten wurden zuvor ermittelt, da dies die Funktionsfähigkeit und Wirksamkeit bestätigte, wenn der Versuchsaufbau es uns ermöglichte, im Voraus bekannte Ergebnisse zu erhalten.
Versuchsdurchführung
Zunächst wurde ein Testlauf der Kugel durchgeführt, um die Oberflächen der Sonde und der Probe zueinander auszurichten. Dann wurde die Sonde langsam auf die Probe abgesenkt, um einen Kontakt zwischen ihnen zu erreichen (
1b ): Die Eindringtiefe δ nimmt zu und die Reibungskraft nimmt zu, wenn die Sonde auf Eis zu rutschen beginnt. Die maximale Einbuchtung wurde ausreichend klein gehalten, um eine Dissipation zu verhindern.
Die normale konservative Impedanz Z '
N wurde durch Einstellen der maximalen Einrückposition δ
0 auf Z'
N0 eingestellt . Dieser Einstellvorgang erfolgt durch Fixieren der Last auf der Kugel, die durch Integrieren des Gradienten Z'N über die Eindringtiefe erhalten wird. Auf diese Weise können Sie die seitliche (seitliche) Reibungskraft für eine bestimmte Last ändern (
1b ).
Anschließend wird die Kugel aus der Probe entfernt, wodurch die Reibungskraft allmählich auf Null abfällt.
Somit ist es möglich, alle Aspekte des Kontaktprozesses eines Objekts mit Eis bei einer bestimmten Belastung und an verschiedenen Kontaktpunkten zu untersuchen.
Versuchsergebnisse
Der Graph
1c zeigt die laterale Reibungskraft F
T als Funktion der Tangentialgeschwindigkeit U, die mit α
T im Bereich von 1 ... 30 & mgr; m verbunden ist. Die Reibungskraft verschwindet nicht bei niedrigen Geschwindigkeiten, wie die Reibung auf einem Feststoff. Zusätzlich gibt es eine schwache Dämpfung der Reibungskraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit: F
T ≤ U - γ, wobei γ ≤ 0,3 - 0,5 ist.
Es wurde auch festgestellt, dass bei einer festen Geschwindigkeit die Reibungskraft proportional zur normalen Last ist. Dies deutet auf eine "harte" Reibung hin, deren Koeffizient µ = 0,015 beträgt.
Die folgenden Experimente wurden durchgeführt, jedoch bei unterschiedlichen Temperaturen, wodurch die Temperaturabhängigkeit der Reibungskraft (
1d ) bestimmt werden konnte.
Bei einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt nimmt die Reibungskraft allmählich zu. Es ist anzumerken, dass es eine minimale Temperatur gibt, bei der es eine minimale Reibungskraft gibt. Für diesen Versuch wurde gefunden, dass diese Temperatur unter -10 ° C liegen würde. Niedrigere Temperaturen (unter -16 ° C) können am betrachteten Versuchsaufbau jedoch noch nicht untersucht werden.
Bild Nr. 2In der nächsten Phase der Studie sollten die mechanischen Eigenschaften der Grenzfläche während des Gleitens ermittelt werden. Der Realteil (Z '
N ) und der Imaginärteil (Z' '
N ) der mechanischen Impedanz, die mit dem elastischen und dissipativen Verhalten der Grenzfläche zusammenhängen, wurden gemessen.
In Abbildung
2a sind die Messungen der normalen mechanischen Impedanz beim Kontakt der Sonde mit der Probe sowie beim Entfernen der Sonde von der Probe dargestellt. In diesem Fall ist ein der Reibungskraft (F
F ) ähnlicher Trend zu beobachten: ein Plateau während der Regulierung bei Z '
N0 , gefolgt von einer allmählichen Abnahme während des Zurückziehens der Sonde. Die Dissipation wurde abgeschätzt, indem die Umkehrfunktion der Abhängigkeit der dissipativen Impedanz 1 / Z
N vom Sondenentfernungsabstand (
2b ) berechnet wurde. Ein wichtiger Aspekt dieser Messung ist die Tatsache, dass sich die Impedanz linear in Bezug auf den Abgriffsabstand ändert. Nur bei einem signifikanten Rückzugsweg bricht dieser Vorgang geringfügig ab und es treten geringfügige Abweichungen vom linearen Verhalten auf.
Bei einer nicht verschwindenden Gleitgeschwindigkeit U reagiert das Zwischenfluid beim Entfernen der Sonde viskos. Das beobachtete lineare Verhalten von 1 / Z
N N als Funktion von
d zeigt auch an, dass die Viskosität η
R unabhängig von der Eindringtiefe ist.
Es ist auch anzumerken, dass die Dicke des hydrodynamischen Films h
hyd nicht fest ist, sondern unabhängig eingestellt wird, um einen stationären Wert zu erreichen. Entsprechend der linearen Beziehung zwischen h
hyd und 1 / Z '
N kann die Dicke des festen Films (h
0 ) aus Messungen des Verlustmoduls Z'
N berechnet werden
.In
2a ist zu sehen, dass Z ''
N im Steuermodus ein Plateau erreicht, das als Funktion der Zeitabhängigkeit, der Kontaktgeschwindigkeit der Probe mit der Sonde und der normalen Last ausgedrückt wird. Daher kann unter Verwendung der obigen Formel der Wert der konstanten Filmdicke (
2b ) abgeleitet werden.
Es kann auch davon ausgegangen werden, dass die hydrodynamische Dicke die Summe der tatsächlichen Filmdicke und gegebenenfalls der Schlupflänge ist. Angesichts der hydrophilen Natur von Eis ist jedoch auch zu erwarten, dass die Schlupflänge extrem gering ist (einige Nanometer), weshalb die hydrodynamische Dicke als die tatsächliche Filmdicke angesehen werden sollte.
Die durchgeführten Versuche, bei denen unterschiedliche Temperaturen, Gleitgeschwindigkeiten und Belastungen angewendet wurden, ermöglichten es, die konstante Schichtdicke praktisch zu bestimmen.
2c zeigt, wie sich die Filmdicke in Abhängigkeit von der Tangentialgeschwindigkeit ändert. Früher wurde angenommen, dass eine Erhöhung der Geschwindigkeit zu einer direkten Erhöhung der Dicke führt, in der Praxis wurde jedoch festgestellt, dass praktisch keine Verbindung besteht. Die gleiche schwache Kopplung wurde in Bezug auf Dicke und Belastung beobachtet. Die Temperatur hatte aber bereits einen deutlichen Einfluss auf die Schichtdicke (
2d ): Die Dicke stieg mit zunehmender Temperatur von 100 auf 500 nm an. Beobachtungen zeigten auch, dass die Dicke des fixierten Films ungefähr 4-mal größer ist als die von Gleichgewichtsfilmen im vorgeschmolzenen Zustand (hellblaue Farbe durch
2d ).
Eine weitere wichtige Beobachtung während der Experimente war die Identifizierung der viskoelastischen Rheologie des Grenzflächenfilms zum Zeitpunkt des Schlupfes.
Bild Nr. 3Das Diagramm
3a zeigt die Inversion des elastischen Widerstands 1 / Z '
N , die eine lineare Änderung mit zunehmendem Abstand
d während des Entfernens der Sonde von der Probe zeigt.
Die Experimente mit verschiedenen Variablen (Geschwindigkeit und Temperatur) haben gezeigt, dass sich lineare Extrapolationen der Module der inversen Elastizität und der Dissipation mit einem Fehler von 30% bei derselben hydrodynamischen Null überschneiden. Ähnliches gilt für komplexe Flüssigkeiten (Polymere und Polyelektrolyte).
Berechnungen der Beobachtungsergebnisse zeigten, dass die gemessene Viskosität η
R während des Gleitens viel höher ist als die typische Viskosität von unterkühltem (unterhalb der Kristallisationstemperatur) Wasser bei gleicher Temperatur (orange gestrichelte Linie bei
3b ). Die Viskosität nimmt in Abhängigkeit von der Tangentialgeschwindigkeit ähnlich der Reibungskraft allmählich ab: η
R, I I U
−α , wobei α α 0,3-0,5 (
3b ).
Das Interessanteste ist, dass η
R bei Annäherung an den Schmelzpunkt sehr stark ansteigt und einen Wert erreicht, der doppelt so hoch ist wie der von Wasser bei 0 ° C (
4a ).
Bild Nr. 4Alle obigen Beobachtungen bestätigen nach Angaben der Forscher selbst die überraschend komplexe Rheologie des Schmelzwassers. Erstens wird der Grenzflächenwasserfilm während des Gleitens "viskos wie Öl" (Worte von Wissenschaftlern), d.h. seine Viskosität ist doppelt so hoch wie die von gewöhnlichem Wasser. Diese Beobachtung macht es möglich zu verstehen, wie Eis gleiten kann, wenn Wasser als extrem schlechtes Schmiermittel angesehen wird. Ein dünner Film auf der Oberfläche des Eises begrenzt somit die Eindrückung eines darauf gleitenden Objekts, wodurch ein direkter Kontakt zwischen diesen beiden Feststoffen (z. B. Eis und einem Schlittschuhblatt) vermieden wird.
Es stellt sich heraus, dass das zum Zeitpunkt des Gleitens in Form eines Films auf der Oberfläche des Eises gebildete Wasser im Gegensatz zu normalem Wasser ein ausgezeichnetes Schmiermittel ist.
Die Wissenschaftler beschlossen, ihr Modell erneut zu testen, allerdings unter Hinzufügung einer hydrophoben Beschichtung der Sonde, da im Wintersport eine solche Beschichtung (z. B. Wachs) sehr häufig zur Verringerung der Reibung verwendet wird.
Der Versuchsaufbau unterschied sich nur darin, dass die kugelförmige Glassonde diesmal mit einer Schicht aus Monosilan (SiH
4 ) beschichtet war.
Bild Nr. 5In der Tat verringerte sich die Reibung im Vergleich zu früheren Experimenten um das 10-fache. Die Abnahme der Reibung wurde ausgeprägter, als der Schmelzpunkt erreicht war.
Es wurde gefunden, dass die Abnahme der Reibung nicht mit der geänderten hydrodynamischen Filmdicke zusammenhängt (
5b ). Und es gibt zwei Schlussfolgerungen: Erstens wird der für komplexe Flüssigkeiten übliche Effekt des endlichen hydrodynamischen Gleitens auf der Oberfläche beseitigt. zweitens bestätigt dies, dass die hydrodynamische Dicke auch bei einer sauberen Sonde (ohne SiH
4 -Beschichtung) nicht dem Gleiteffekt unterliegt.
Höchstwahrscheinlich nimmt der Materialanteil der Viskosität der hydrophoben Sonde im Vergleich zur hydrophilen Sonde ab. Dieser Effekt verstärkt sich, wenn sich die Temperatur dem Schmelzpunkt nähert (
5c ).
Die durchgeführten Experimente beschreiben sehr gut verschiedene Aspekte des Einflusses von Nanometerprozessen auf die makroskopische Reibung von Eis. Es ist jedoch unmöglich, solche Schlussfolgerungen auf Schnee anzuwenden, da es sich um ein noch komplexeres Material handelt. Daher müssen seine Eigenschaften bei Gleitproblemen in Zukunft noch untersucht werden.
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich, dass Sie sich den
Bericht der Wissenschaftler und
weitere Materialien dazu ansehen.
Nachwort
Nicht alles ist so einfach wie es scheint. Diese Studie ändert nach den kühnen Aussagen ihrer Autoren unser Verständnis der Gleitmechanismen auf dem Eis und der Prozesse, die in diesem Moment ablaufen, vollständig.
Die Verwendung einer neuen Forschungsmethode, die viel genauer ist als ihre Vorgänger, ermöglichte es uns, erstaunliche Ergebnisse zu erzielen. Der Wasserfilm, der die Oberfläche des Eises bedeckt, wurde in dem Moment, in dem die Sonde darüber rutschte, viskos wie Öl, wodurch ein Kontakt zwischen dem Eis und der Sonde verhindert wurde und die Sonde über die Oberfläche rutschen konnte.
Wissenschaftler glauben, dass ihre Arbeit nicht nur von theoretischem Nutzen ist, sondern ein breiteres Verständnis der Umwelt vermittelt, sondern auch praktische Anwendung findet. Die Selbstschmierung des Eises führt zur Bildung und Untersuchung weicher und phasenveränderlicher Feststoffe, die als Verschleißschutzfilme wirken können.
Wie auch immer, jetzt wissen wir, was passiert, wenn wir Schlittschuh laufen oder fallen, auf schneebedecktem Eis ausrutschen und den Mülleimer in die Höhe des zweiten Stocks werfen (persönliches Erlebnis :)).
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig, schauen Sie auf Ihre Füße und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs! :)
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