Mengapa es sangat licin: jawaban ilmiah untuk pertanyaan anak-anak

Ketika kami masih kecil, orang tua kami harus menjawab ratusan pertanyaan: mengapa langit biru, mengapa rumput berwarna hijau, mengapa air mendidih panas, mengapa Anda tidak bisa makan permen saja, dll. Keingintahuan dan keinginan untuk memahami dunia di sekitar kita menemani kita sepanjang hidup kita. Seseorang tumbuh dan pertanyaan-pertanyaan ini menjadi sekunder baginya, dan seseorang mulai mencari jawaban dalam fisika, kimia, dan ilmu pengetahuan lainnya. Hari ini kita akan mempertimbangkan studi oleh para ilmuwan dari University of Paris, di mana mereka memutuskan untuk memeriksa lebih detail sifat es yang licin. Apa penemuan menarik yang telah dilakukan para ilmuwan, kita pelajari dari laporan mereka. Ayo pergi.

Dasar studi

Es dan salju licin karena mereka memiliki koefisien gesekan yang rendah. Jika semuanya berbeda, maka bermain skating, hoki, bobsleigh, dan olahraga musim dingin lainnya tidak akan begitu menarik, dan orang yang lewat tidak akan tergelincir di trotoar yang membeku, menunjukkan pirouette udara yang membuat iri setiap skater.

Es yang licin didasarkan pada lapisan air setebal 1 hingga 100 nm, tergantung pada suhu. Ini didirikan berkat karya Michael Faraday. Namun, para ilmuwan masih memperdebatkan tentang sifat lapisan ini, mekanisme terjadinya dan interaksinya dengan objek lain.

Dalam studi yang relatif baru, ditemukan bahwa peran utama dalam meluncur di atas es dimainkan bukan oleh gesekan karena tekanan, tetapi dengan pencairan gesekan: disipasi kental menghasilkan panas, yang menaikkan suhu di daerah kontak ke suhu leleh, menghasilkan film pelumas air. Pernyataan ini dibangun berdasarkan teori dan pengukuran molekuler, karena dalam praktiknya sangat sulit untuk dipelajari karena fakta bahwa film air leleh secara dinamis dan mandiri dihasilkan oleh sliding, yang membuat antarmuka antara es dan film air hampir sulit dipahami untuk studi rinci. Dan karena kontras yang rendah dari antarmuka, tidak masuk akal untuk menggunakan metode interferometri standar.

Ternyata, menjadi senyawa yang sangat sederhana, air membuat banyak ilmuwan mematahkan kepala mereka, yang, sebagai hasil dari metode eksperimental mereka untuk mempelajari sifat-sifatnya di permukaan es, sampai pada kesimpulan yang sangat berbeda. Sebagai contoh, satu metode menunjukkan bahwa ketebalan lapisan air adalah 5-10 mikron, dan yang lainnya kurang dari 50 nm. Dan pengukuran suhu lokal baru-baru ini telah mengecualikan leleh lengkap film air interfacial selama sliding, yang bertentangan dengan penjelasan yang dijelaskan di atas (leleh gesekan).

Tidak peduli seberapa sederhana dan transparan es tampak pada pandangan pertama, studi tentang sifat-sifatnya ternyata rumit dan membingungkan. Dan alasan untuk ini adalah ketidakefisienan metode penelitian yang ada, oleh karena itu, dalam penelitian yang kami pertimbangkan saat ini, para ilmuwan telah mengusulkan pendekatan yang sama sekali baru yang memungkinkan kita untuk memisahkan berbagai komponen fisik.

Para ilmuwan dapat secara bersamaan mempelajari gesekan slider (probe) milimeter pada es dan sifat mekanik antarmuka yang sesuai dari film air lelehan di skala nano. Untuk ini, mikroskop kekuatan atom pemindaian ditingkatkan digunakan, yang dilengkapi dengan nanometer dengan akurasi skala nano.

Mempersiapkan percobaan

Gambar No. 1

Gambar 1a menunjukkan pengaturan eksperimental yang berisi garpu tala mode ganda untuk mikroskop gaya atom. Unit ini terletak di ruang dingin dengan suhu terkontrol −16 ° C hingga 0 ° C dan kelembaban relatif 70-80%. Sebagai sampel yang diteliti, potongan-potongan es ukuran sentimeter yang diperoleh dari air deionisasi digunakan.

Bola kaca borosilikat miniatur direkatkan pada salah satu gigi garpu tala aluminium. Seluruh sistem dapat dimodelkan secara sangat akurat sebagai sistem pegas beban (osilator harmonik) dengan kekakuan tinggi K _T ≈ 102 kNm ^-1 dan faktor Q Q ≈ 2500. Kemudian, eksitasi elektromagnetik pada frekuensi resonansi garpu tala f _T ≃ 560 Hz mengarah ke gerakan osilasi lateral bola sejajar dengan permukaan es (panah merah pada 1a ).

Amplitudo α _T dan pergeseran fasa ϕ _{T dari} bola dikendalikan oleh akselerometer yang direkatkan ke salah satu gigi. Bola berosilasi bersentuhan dengan permukaan es melalui elemen piezoelektrik dengan sensor posisi built-in resolusi nanometrik.

Lalu ada gerakan geser lateral bola, yang dengan demikian meluncur tajam di atas es dengan amplitudo α _T ～ 1–30 μm dan kecepatan U = 2 α _T f _T , biasanya sama dengan 0,1 ms ⁻¹ .

Loop terkunci fase mempertahankan sistem dalam resonansi dengan menyesuaikan frekuensi eksitasi f _T , dan gaya gesekan tangensial F _F diukur dengan melacak gaya eksitasi F ^em _T diperlukan untuk mempertahankan amplitudo osilasi konstan selama geser sesuai dengan F _F = (K _T / Q _T ) (F ^em _T / F ^em _T, - 1) x α _T.

Para ilmuwan juga menggunakan getaran orde tinggi normal (mode) dari garpu tala itu sendiri: pertama, mode pertama bersemangat, terkait dengan frekuensi resonansi fN ≃ 960 Hz (K _N ～ 103 kNm ^-1 , Q _N ～ 200), dan mengukur gaya yang sesuai.

Menggunakan probe kecil (bola) dengan amplitudo osilasi kecil (50 nm) memungkinkan untuk mengukur impedansi mekanis normal es yang bersentuhan dengan probe, Z * _N = F * _N / α _N (F * _N adalah gaya normal kompleks yang bekerja pada ruang lingkup).

Teknik superposisi yang dijelaskan (pemisahan satu kompleks menjadi beberapa komponen sederhana), menurut para ilmuwan, memungkinkan kami untuk mempelajari sifat-sifat mekanik antarmuka, sementara geser tangensial di sepanjang permukaan sisi es menerapkan prinsip-prinsip rheometry superposisi (studi eksperimental deformasi dan fluiditas suatu zat). Dengan kata lain, pengaturan semacam itu memungkinkan tribometri dan reologi kontak antara sampel dan probe secara simultan (es dan bola).

Para ilmuwan berpendapat bahwa metodologi baru mereka memungkinkan studi yang jauh lebih akurat tentang mekanisme geser benda di atas es, dan juga mengklaim tingkat akurasi dan efisiensi tinggi dari instalasi yang dikembangkan, yang dikonfirmasi oleh percobaan yang sukses dengan cairan lain (minyak silikon, cairan ionik, polietilen glikol 1000, dll. .d.). Sifat-sifat cairan ini sebelumnya ditetapkan, karena ketika pengaturan eksperimental memungkinkan kami untuk mendapatkan hasil yang diketahui sebelumnya, ini mengkonfirmasi operabilitas dan efektivitasnya.

Prosedur Eksperimen

Pertama, uji coba bola dilakukan, perlu untuk menyelaraskan permukaan probe dan sampel sehubungan satu sama lain. Kemudian probe perlahan diturunkan ke sampel untuk mencapai kontak di antara mereka ( 1b ): kedalaman lekukan δ meningkat, dan gaya gesekan meningkat ketika probe mulai tergelincir di atas es. Lekukan maksimum disimpan cukup kecil δ ₀ ～ 3 μm untuk mencegah disipasi.

Impedansi konservatif normal Z ' _N diatur ke Z' _N0 dengan menyesuaikan posisi indentasi maksimum δ ₀ . Proses penyesuaian ini terjadi dengan memperbaiki beban pada bola, yang diperoleh dengan mengintegrasikan gradien Z'N pada kedalaman indentasi. Dan ini, pada gilirannya, memungkinkan Anda untuk mengubah gaya gesekan lateral (lateral) untuk beban yang diberikan ( 1b ).

Setelah ini, bola dihapus dari sampel, yang karenanya gaya gesekan secara bertahap menurun ke nol.

Dengan demikian, dimungkinkan untuk mempelajari semua aspek dari proses kontak suatu benda dengan es pada beban tertentu dan pada titik kontak yang berbeda.

Hasil Eksperimen

Grafik 1c mewakili gaya gesekan lateral F _T sebagai fungsi dari kecepatan tangensial U yang terkait dengan α _T dalam kisaran 1 ... 30 μm. Gaya gesekan tidak hilang pada kecepatan rendah, seperti gesekan pada benda padat. Selain itu, ada redaman lemah dari gaya gesekan tergantung pada kecepatan: F _T ∝ U ^-γ , di mana γ ～ 0,3 - 0,5.

Juga ditemukan bahwa pada kecepatan tetap, gaya gesek sebanding dengan beban normal. Ini menunjukkan gesekan “seperti-keras”, koefisiennya adalah μ = 0,015.

Eksperimen berikut dilakukan, tetapi pada suhu yang berbeda, yang memungkinkan kami untuk menentukan ketergantungan suhu gaya gesekan ( 1d ).

Pada suhu yang mendekati titik leleh, gaya gesek berangsur-angsur meningkat. Perlu dicatat bahwa ada suhu minimum di mana ada gaya gesekan minimum. Untuk percobaan ini, ditemukan bahwa suhu ini akan di bawah -10 ° C. Namun, masih belum memungkinkan untuk menyelidiki suhu yang lebih rendah (di bawah -16 ° C) pada pengaturan eksperimental yang sedang dipertimbangkan.


Gambar No. 2

Tahap berikutnya dari penelitian ini adalah untuk menetapkan sifat mekanik antarmuka selama geser. Bagian nyata (Z ' _N ) dan imajiner (Z' ' _N ) dari impedansi mekanik, yang terkait dengan respons elastis dan disipatif antarmuka, diukur.

Gambar 2a menunjukkan pengukuran impedansi mekanis normal pada kontak probe dan sampel, serta ketika probe dilepas dari sampel. Dalam kasus ini, tren yang mirip dengan gaya gesekan (F _F ) diamati: dataran tinggi selama regulasi di Z ' _N0 , diikuti oleh penurunan bertahap selama retraksi probe. Disipasi diperkirakan dengan membangun fungsi kebalikan dari ketergantungan impedansi disipatif 1 / Z µ _N pada jarak pelepasan probe ( 2b ). Aspek penting dari pengukuran ini adalah kenyataan bahwa impedans bervariasi secara linier sehubungan dengan jarak tap. Hanya dengan jarak retraksi yang signifikan proses ini pecah sedikit, dan sedikit penyimpangan dari perilaku linier terjadi.

Untuk kecepatan geser U yang tidak lenyap, fluida antara menunjukkan reaksi kental selama pelepasan probe. Perilaku linear yang diamati dari 1 / Z _{N N} sebagai fungsi dari d juga menunjukkan bahwa viskositas η _R tidak tergantung pada kedalaman indentasi.

Perlu juga dicatat bahwa ketebalan film hidrodinamik tidak ditentukan, tetapi disesuaikan secara independen untuk mencapai nilai diam. Menurut hubungan linear antara h _hid dan 1 / Z ' _N , ketebalan film tetap (h ₀ ) dapat dihitung dari pengukuran modulus disipasi Z' _N.

Dapat dilihat pada Gambar 2a bahwa, dalam mode kontrol, Z '' _N mencapai dataran tinggi yang dinyatakan sebagai fungsi dari ketergantungan waktu, kecepatan kontak sampel dengan probe, dan beban normal. Oleh karena itu, dengan menggunakan rumus di atas, nilai ketebalan film konstan ( 2b ) dapat diturunkan.

Dapat juga diasumsikan bahwa ketebalan hidrodinamik akan menjadi jumlah dari ketebalan film aktual dan panjang slip, jika ada. Namun, mengingat sifat hidrofilik es, juga diharapkan bahwa panjang slip akan sangat kecil (beberapa nanometer), oleh karena itu ketebalan hidrodinamik harus dianggap sebagai ketebalan film yang sebenarnya.

Percobaan yang dilakukan di mana suhu yang berbeda, kecepatan geser, dan beban diterapkan memungkinkan untuk secara praktis menentukan ketebalan film konstan. 2c menunjukkan bagaimana ketebalan film bervariasi tergantung pada kecepatan tangensial. Sebelumnya diyakini bahwa peningkatan kecepatan mengarah ke peningkatan langsung dalam ketebalan, tetapi dalam praktiknya ditemukan bahwa praktis tidak ada koneksi. Kopling lemah yang sama diamati sehubungan dengan ketebalan dan beban. Tetapi suhu sudah memiliki efek nyata pada ketebalan film ( 2d ): ketebalan meningkat dari 100 menjadi 500 nm dengan meningkatnya suhu. Juga, pengamatan menunjukkan bahwa ketebalan film tetap adalah sekitar 4 kali lebih besar dari film keseimbangan dalam keadaan pra-leleh (warna biru terang 2d ).

Pengamatan penting lainnya selama percobaan adalah identifikasi reologi viskoelastik dari film antar muka pada saat slip.


Gambar No. 3

Grafik 3a menunjukkan inversi dari tahanan elastis 1 / Z ' _N , yang menunjukkan perubahan linier dengan meningkatnya jarak pemisahan d selama pemindahan probe dari sampel.

Percobaan dengan variabel yang berbeda (kecepatan dan suhu) mengungkapkan fakta bahwa ekstrapolasi linier dari moduli elastisitas terbalik dan disipasi berpotongan pada nol hidrodinamika yang sama dengan kesalahan 30%. Gambaran serupa cukup umum untuk cairan kompleks (polimer dan polielektrolit).

Perhitungan hasil pengamatan menunjukkan bahwa viskositas yang diukur η _R selama sliding jauh lebih tinggi daripada viskositas tipikal dari air yang didinginkan (di bawah suhu kristalisasi) pada suhu yang sama (garis putus-putus oranye pada 3b ). Viskositas secara bertahap meluruh tergantung pada kecepatan tangensial, mirip dengan gaya gesekan: η _{R, I} ∝ U ^−α , di mana α ～ 0,3-0,5 ( 3b ).

Hal yang paling menarik adalah bahwa η _R meningkat sangat banyak ketika mendekati titik leleh dan mencapai nilai 2 kali lebih besar dari air pada 0 ° C ( 4a ).


Gambar No. 4

Semua pengamatan di atas, menurut para peneliti itu sendiri, mengkonfirmasi reologi mencair yang sangat kompleks. Pertama, lapisan air antar muka selama meluncur menjadi "kental seperti minyak" (kata-kata para ilmuwan), yaitu viskositasnya 2 kali lebih tinggi dari air biasa. Pengamatan ini memungkinkan untuk memahami bagaimana es dapat meluncur ketika air dianggap sebagai pelumas yang sangat buruk. Dengan demikian, film tipis pada permukaan es membatasi lekukan benda yang meluncur di atasnya, yang menghindari kontak langsung antara dua padatan ini (es dan pisau skate, misalnya).

Ternyata air yang terbentuk dalam bentuk film di permukaan es pada saat meluncur adalah pelumas yang sangat baik, berbeda dengan air biasa.

Para ilmuwan memutuskan untuk sekali lagi menguji model mereka, tetapi dengan penambahan lapisan hidrofobik dari probe, karena dalam olahraga musim dingin lapisan seperti itu (misalnya, lilin) ​​sangat sering digunakan untuk mengurangi gesekan.

Pengaturan eksperimental hanya berbeda karena probe kaca bulat kali ini dilapisi dengan lapisan monosilan (SiH ₄ ).


Gambar No. 5

Memang, gesekan dibandingkan dengan percobaan sebelumnya berkurang 10 kali. Penurunan gesekan menjadi lebih jelas ketika titik lebur tercapai.

Ditemukan bahwa penurunan gesekan tidak terkait dengan perubahan ketebalan film hidrodinamik ( 5b ). Dan ada dua kesimpulan: pertama, ini menghilangkan efek geser hidrodinamik terbatas pada permukaan, yang biasa untuk cairan kompleks; kedua, ini menegaskan bahwa ketebalan hidrodinamik tidak tunduk pada efek geser, bahkan dalam kasus probe yang bersih (tanpa pelapisan SiH ₄ ).

Kemungkinan besar, ada penurunan bagian material dari viskositas untuk probe hidrofobik dibandingkan dengan yang hidrofilik. Efek ini diperkuat ketika suhu mendekati titik leleh ( 5c ).

Percobaan yang dilakukan dengan sangat baik menggambarkan berbagai aspek pengaruh proses nanometer pada gesekan makroskopik es. Tetapi tidak mungkin untuk menerapkan kesimpulan seperti itu pada salju, karena itu adalah bahan yang bahkan lebih kompleks. Oleh karena itu, sifat-sifatnya dalam masalah peluncur belum dipelajari di masa depan.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Tidak semuanya sesederhana kelihatannya. Studi ini, menurut pernyataan berani penulisnya, sepenuhnya mengubah pemahaman kita tentang mekanisme meluncur di atas es dan proses yang terjadi pada saat ini.

Penggunaan metode penelitian baru, yang jauh lebih akurat daripada pendahulunya, memungkinkan untuk mendapatkan hasil yang luar biasa. Lapisan air yang menutupi permukaan es, pada saat probe meluncur di atasnya, menjadi kental, seperti minyak, sehingga mencegah kontak es dan probe dan memungkinkan probe menyelinap ke permukaan.

Para ilmuwan percaya bahwa pekerjaan mereka tidak hanya bermanfaat secara teoritis, memberikan pemahaman yang lebih luas tentang lingkungan, tetapi juga aplikasi praktis. Sifat es yang melumasi diri sendiri mengarah pada penciptaan dan studi padatan yang lunak dan beragam fase, yang dapat bertindak sebagai film anti aus.

Ngomong-ngomong, sekarang kita tahu apa yang terjadi ketika kita berseluncur atau jatuh, tergelincir di atas es yang ditaburi salju, melemparkan sampah ke udara setinggi lantai dua (pengalaman pribadi :)).

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu, lihat kaki Anda dan selamat bekerja, kawan! :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda, cloud VPS untuk pengembang mulai dari $ 4,99 , diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami ciptakan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Core) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana cara berbagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?