Por que o gelo é escorregadio: uma resposta científica a uma pergunta infantil

Quando éramos pequenos, nossos pais tinham que responder a centenas de perguntas: por que o céu é azul, por que a grama é verde, por que a água fervente é quente, por que você não pode comer apenas doces etc. A curiosidade e o desejo de entender o mundo à nossa volta nos acompanham por toda a vida. Alguém cresce e essas perguntas se tornam secundárias para ele, e alguém começa a procurar respostas em física, química e outras ciências. Hoje vamos considerar um estudo de cientistas da Universidade de Paris, no qual eles decidiram examinar com mais detalhes a natureza escorregadia do gelo. Que descobertas interessantes que os cientistas fizeram, aprendemos com o relatório. Vamos lá

Base de estudo

Gelo e neve são escorregadios porque apresentam baixo coeficiente de atrito. Se tudo fosse diferente, patinação artística, hóquei, trenó e outros esportes de inverno não seriam tão emocionantes, e os transeuntes não escorregariam na calçada congelada, mostrando piruetas no ar que qualquer skatista invejaria.

O gelo escorregadio é baseado em uma camada de água de 1 a 100 nm de espessura, dependendo da temperatura. Isso foi estabelecido graças ao trabalho de Michael Faraday. No entanto, os cientistas ainda estão discutindo sobre a natureza dessa camada, o mecanismo de sua ocorrência e interação com outros objetos.

Em estudos relativamente recentes, verificou-se que o principal papel no deslizamento no gelo é desempenhado não pelo atrito devido à pressão, mas pelo derretimento por atrito: a dissipação viscosa gera calor, o que eleva a temperatura na região de contato à temperatura de derretimento, resultando em um filme lubrificante à água. Essa afirmação foi construída com base teórica e medições moleculares, uma vez que, na prática, é extremamente difícil estudar devido ao fato de que um filme de água derretida é gerado de forma dinâmica e autoconsistente por deslizamento, o que torna a interface entre gelo e um filme de água quase ilusória para um estudo detalhado. E devido ao baixo contraste da interface, simplesmente não faz sentido usar métodos padrão de interferometria.

Como se viu, por ser um composto tão simples, a água fez muitos cientistas quebrarem a cabeça, que, como resultado de seus métodos experimentais para estudar suas propriedades na superfície do gelo, chegaram a conclusões completamente diferentes. Por exemplo, um método mostra que a espessura do filme de água é de 5 a 10 mícrons e o outro é menor que 50 nm. E medições recentes da temperatura local excluíram o derretimento completo do filme de água interfacial durante o deslizamento, o que contradiz a explicação descrita acima (derretimento por fricção).

Não importa quão simples e transparente o gelo possa parecer à primeira vista, o estudo de suas propriedades acabou sendo complicado e confuso. E a razão para isso é a ineficiência dos métodos de estudo existentes; portanto, no estudo que estamos considerando hoje, os cientistas propuseram uma abordagem completamente nova que nos permite separar os vários componentes físicos.

Os cientistas puderam estudar simultaneamente o atrito de uma barra milimétrica (sonda) no gelo e as propriedades mecânicas interfaciais correspondentes de um filme de água derretida na nanoescala. Para isso, foi utilizado um microscópio de varredura de força atômica aprimorado, equipado com um nanômetro com precisão em nanoescala.

Preparando para o experimento

Imagem Nº 1

A Figura 1a mostra uma configuração experimental que contém um diapasão de modo duplo para um microscópio de força atômica. A unidade estava localizada em uma câmara fria com uma temperatura controlada de -16 ° C a 0 ° C e uma umidade relativa de 70-80%. Como amostras estudadas, foram utilizados pedaços de gelo de um tamanho de centímetro, obtidos a partir de água desionizada.

Uma esfera de vidro de borossilicato em miniatura foi colada a um dos dentes de um diapasão de alumínio. Todo o sistema pode ser modelado com muita precisão como um sistema de mola de carga (oscilador harmônico) de alta rigidez K _T ≈ 102 kNm ^-1 e fator Q Q _T ≈ 2500. Então, a excitação eletromagnética na frequência de ressonância do diapasão f _T ≃ 560 Hz leva ao movimento oscilatório lateral da esfera paralelo à superfície do gelo (seta vermelha em 1a ).

A amplitude αT e a mudança de fase ϕT _da esfera são controladas por um acelerômetro colado a um dos dentes. A esfera oscilante está em contato com a superfície do gelo por meio de um elemento piezoelétrico com um sensor de posição embutido de resolução nanométrica.

Depois, há um movimento de deslizamento lateral da esfera, que desliza drasticamente sobre o gelo com uma amplitude α _T ～ 1–30 μm e uma velocidade U = 2πα _T f _T , geralmente igual a 0,1 ms ⁻¹ .

Um loop bloqueado de fase mantém o sistema em ressonância, ajustando a frequência de excitação f _T , e a força de atrito tangencial F _F é medida rastreando a força de excitação F ^em _T necessária para manter uma amplitude de oscilação constante ao deslizar de acordo com F _F = (K _T / Q _T ) (F ^em _T / F ^em _T, - 1) x α _T.

Os cientistas também usaram vibrações normais de alta ordem (modos) do diapasão: primeiro, o primeiro modo é excitado, associado à frequência ressonante f _{N N} 960 Hz (K _N ～ 103 kNm ^-1 , Q _N ～ 200) e mede a força correspondente.

Usando uma sonda tão pequena (esfera) com uma pequena amplitude de oscilação (50 nm), é possível medir a impedância mecânica normal do gelo que entra em contato com a sonda, Z * _N = F * _N / αN (F * _N é a força normal complexa que atua sobre escopo).

A técnica descrita de superposição (separação de um complexo em vários componentes simples), de acordo com os cientistas, nos permite estudar as propriedades mecânicas da interface, enquanto o deslizamento tangencial ao longo da superfície lateral do gelo implementa os princípios da reometria de superposição (estudo experimental de deformação e fluidez de uma substância). Em outras palavras, essa configuração permite tribometria e reologia simultâneas do contato entre a amostra e a sonda (gelo e esfera).

Os cientistas afirmam que seu novo método permite um estudo muito mais preciso do mecanismo de deslizamento de objetos no gelo e também afirmam um alto grau de precisão e eficiência da instalação desenvolvida, o que é confirmado por experiências bem-sucedidas com outros líquidos (óleo de silicone, líquidos iônicos, polietilenoglicol 1000, etc.) .d.). As propriedades desses líquidos foram previamente estabelecidas, pois quando a configuração experimental nos permitiu obter resultados previamente conhecidos, confirmou sua operacionalidade e eficácia.

Procedimento Experimental

Primeiro, foi realizado um teste da esfera, necessário para alinhar as superfícies da sonda e a amostra uma em relação à outra. Em seguida, a sonda foi abaixada lentamente para a amostra para obter contato entre eles ( 1b ): a profundidade de recuo δ aumenta e a força de atrito aumenta quando a sonda começa a deslizar no gelo. A indentação máxima foi mantida suficientemente pequena δ ₀ ～ 3 μm para evitar dissipação.

A impedância conservadora normal Z ' _N foi ajustada para Z' _N0 , ajustando a posição de indentação máxima δ ₀ . Esse processo de ajuste ocorre fixando a carga na esfera, que é obtida pela integração do gradiente Z'N sobre a profundidade do recuo. E isso, por sua vez, permite alterar a força de atrito lateral (lateral) para uma determinada carga ( 1b ).

Depois disso, a esfera é removida da amostra, devido à qual a força de atrito diminui gradualmente até zero.

Assim, é possível estudar todos os aspectos do processo de contato de um objeto com gelo em uma carga especificada e em diferentes pontos de contato.

Resultados da Experiência

O gráfico 1c representa a força de atrito lateral F _T em função da velocidade tangencial U associada a α _T na faixa de 1 ... 30 μm. A força de atrito não desaparece em baixas velocidades, como o atrito em um sólido. Além disso, há uma atenuação fraca da força de atrito, dependendo da velocidade: F _T ∝ U-γ, onde γ ～ 0,3 - 0,5.

Verificou-se também que, a uma velocidade fixa, a força de atrito é proporcional à carga normal. Isso indica um atrito "duro", cujo coeficiente é µ = 0,015.

As seguintes experiências foram realizadas, mas em diferentes temperaturas, o que nos permitiu determinar a dependência da força de atrito ( 1d ) da temperatura.

A uma temperatura próxima ao ponto de fusão, a força de atrito aumenta gradualmente. Vale ressaltar que existe uma temperatura mínima na qual existe uma força mínima de atrito. Para este experimento, verificou-se que esta temperatura estaria abaixo de -10 ° C. No entanto, ainda não é possível investigar temperaturas mais baixas (abaixo de -16 ° C) na configuração experimental em consideração.


Imagem No. 2

A próxima etapa do estudo foi estabelecer as propriedades mecânicas da interface durante o deslizamento. Foram medidas as partes real (Z ' _N ) e imaginária (Z' ' _N ) da impedância mecânica, relacionadas à resposta elástica e dissipativa da interface.

A Figura 2a mostra as medições da impedância mecânica normal no contato da sonda e da amostra, bem como quando a sonda é removida da amostra. Nesse caso, observa-se uma tendência semelhante à força de atrito (F _F ): um platô durante a regulação em Z ' _N0 , seguido de uma diminuição gradual durante a retração da sonda. A dissipação foi estimada através da construção da função inversa da dependência da impedância dissipativa de 1 / Z _N na distância de remoção da sonda ( 2b ). Um aspecto importante dessa medição é o fato de que a impedância varia linearmente em relação à distância do tap. Somente com uma distância de retração significativa esse processo quebra levemente e ocorrem pequenos desvios do comportamento linear.

Para uma velocidade de deslizamento sem fuga U, o fluido intermediário exibe uma reação viscosa durante a remoção da sonda. O comportamento linear observado de 1 / ZN _N em função de d também indica que a viscosidade η _R é independente da profundidade de indentação.

Também é importante notar que a espessura do filme hidrodinâmico _hid não _é fixa, mas ajustada independentemente para atingir um valor estacionário. De acordo com a relação linear entre h _hyd e 1 / Z ' _N , a espessura do filme fixo (h ₀ ) pode ser calculada a partir de medições do módulo de dissipação Z' _N.

Pode ser visto na Fig. 2a que, no modo de controle, Z '' _N atinge um platô expresso em função da dependência do tempo, da velocidade de contato da amostra com a sonda e da carga normal. Portanto, usando a fórmula acima, o valor da espessura constante do filme ( 2b ) pode ser derivado.

Também pode ser assumido que a espessura hidrodinâmica será a soma da espessura real do filme e do comprimento do escorregamento, se houver. No entanto, dada a natureza hidrofílica do gelo, também é de se esperar que o comprimento do escorregamento seja extremamente pequeno (alguns nanômetros); portanto, a espessura hidrodinâmica deve ser considerada como a espessura real do filme.

As experiências realizadas nas quais foram aplicadas diferentes temperaturas, velocidades de deslizamento e cargas possibilitaram determinar praticamente a espessura constante do filme. 2c mostra como a espessura do filme varia dependendo da velocidade tangencial. Anteriormente, acreditava-se que um aumento na velocidade leva a um aumento direto na espessura, mas, na prática, verificou-se que praticamente não há conexão. O mesmo acoplamento fraco foi observado em relação à espessura e carga. Mas a temperatura já teve um efeito pronunciado na espessura do filme ( 2d ): a espessura aumentou de 100 para 500 nm com o aumento da temperatura. Além disso, as observações mostraram que a espessura do filme fixo é cerca de 4 vezes maior que a dos filmes de equilíbrio no estado de pré-fusão (cor azul clara em 2d ).

Outra observação importante durante os experimentos foi a identificação da reologia viscoelástica do filme interfacial no momento do escorregamento.


Imagem No. 3

O gráfico 3a mostra a inversão da resistência elástica 1 / Z ' _N , que mostra uma mudança linear com o aumento da distância de separação d durante a remoção da sonda da amostra.

Os experimentos com diferentes variáveis ​​(velocidade e temperatura) revelaram que extrapolações lineares dos módulos de elasticidade e dissipação inversas se cruzam no mesmo zero hidrodinâmico com um erro de 30%. Uma imagem semelhante é bastante comum para líquidos complexos (polímeros e polieletrólitos).

Os cálculos dos resultados da observação mostraram que a viscosidade medida η _R durante o deslizamento é muito maior que a viscosidade típica da água super-resfriada (abaixo da temperatura de cristalização) na mesma temperatura (linha tracejada laranja em 3b ). A viscosidade decai gradualmente, dependendo da velocidade tangencial, semelhante à força de atrito: η _{R, I} ∝ U ^-α , onde α ～ 0,3-0,5 ( 3b ).

O mais interessante é que η _R aumenta muito quando se aproxima do ponto de fusão e atinge um valor 2 vezes maior que o da água a 0 ° C ( 4a ).


Imagem No. 4

Todas as observações acima, de acordo com os próprios pesquisadores, confirmam a reologia surpreendentemente complexa da água derretida. Em primeiro lugar, o filme interfacial da água durante o deslizamento se torna "viscoso como o óleo" (palavras dos cientistas), ou seja, sua viscosidade é 2 vezes maior que a da água comum. Essa observação permite entender como o gelo pode deslizar quando a água é considerada um lubrificante extremamente ruim. Assim, um filme fino na superfície do gelo limita a indentação de um objeto que desliza sobre ele, o que evita o contato direto entre esses dois sólidos (gelo e uma lâmina de patins, por exemplo).

Acontece que a água formada na forma de um filme na superfície do gelo no momento do deslizamento é um excelente lubrificante, em contraste com a água pura.

Os cientistas decidiram testar novamente seu modelo, mas com a adição de um revestimento hidrofóbico da sonda, já que nos esportes de inverno esse revestimento (por exemplo, cera) é frequentemente usado para reduzir o atrito.

A configuração experimental diferiu apenas no fato de que a sonda esférica de vidro desta vez foi revestida com uma camada de monossilano (SiH ₄ ).


Imagem No. 5

De fato, o atrito em comparação com experimentos anteriores diminuiu 10 vezes. A diminuição do atrito tornou-se mais pronunciada quando o ponto de fusão foi atingido.

Verificou-se que a diminuição do atrito não está relacionada à alteração da espessura do filme hidrodinâmico ( 5b ). E há duas conclusões: primeiro, isso elimina o efeito do deslizamento hidrodinâmico finito na superfície, o que é usual para líquidos complexos; segundo, isso confirma que a espessura hidrodinâmica não está sujeita ao efeito deslizante, mesmo no caso de uma sonda limpa (sem revestimento de SiH ₄ ).

Provavelmente, há uma diminuição na parte do material da viscosidade da sonda hidrofóbica em comparação com a sonda hidrofílica. Este efeito é amplificado à medida que a temperatura se aproxima do ponto de fusão ( 5c ).

As experiências realizadas muito bem descrevem vários aspectos da influência dos processos nanométricos no atrito macroscópico do gelo. Mas é impossível aplicar essas conclusões à neve, pois é um material ainda mais complexo. Portanto, suas propriedades em questões de planagem ainda precisam ser estudadas no futuro.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

Nem tudo é tão simples quanto parece. Este estudo, de acordo com as declarações ousadas de seus autores, muda completamente nossa compreensão dos mecanismos de deslizamento no gelo e dos processos que ocorrem neste momento.

O uso de um novo método de pesquisa, que é muito mais preciso que seus antecessores, nos permitiu obter resultados surpreendentes. O filme de água que cobre a superfície do gelo, no momento em que a sonda deslizou sobre ela, tornou-se viscoso, como óleo, impedindo o contato do gelo com a sonda e permitindo que a sonda deslize sobre a superfície.

Os cientistas acreditam que seu trabalho não é apenas um benefício teórico, oferecendo uma compreensão mais ampla do ambiente, mas também uma aplicação prática. A natureza autolubrificante do gelo leva à criação e estudo de sólidos macios e com variação de fase, que podem atuar como filmes antidesgaste.

De qualquer forma, agora sabemos o que acontece quando patinamos ou caímos, escorregando no gelo polvilhado com neve, jogando a lixeira no ar até a altura do segundo andar (experiência pessoal :)).

Obrigado pela atenção, continuem curiosos, olhem para os pés e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal! :)

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