Свет на физика Уметничко лизгање Зошто мразот е толку мазен
Јирген Волмер, Улрих Ветер 22.02.2008
Се чини дека постоела мала или никаква curубопитност за физичкото значење на уникатното својство на мразот. Кога мислам на себе, лесно е да објаснам: мразот беше мазен кога се родив, не знаев на кој било друг начин, и накратко, беше мазен затоа што беше мраз.
- Рејнолдс (1898)
Лизгањето по тесните сечила на скејт мраз е овозможено со екстремно малото триење на цврсти материи на мразот. Прашањето за причината за ова мало триење беше ставено на агендата на научниот свет од Рејнолдс во 1898 година. Мотивиран од неговата претходна фундаментална работа за ефектите на маслото во запчаниците, Рејнолдс сугерираше дека тенок слој вода помеѓу мразот и тркачите е одговорен за ниското триење.
Од каде потекнува овој слој на вода што овозможува лизгање?
Притисокот не помага многу
Пред Рејнолдс, olоли веќе се сомневаше на тенок слој вода помеѓу мразот и тркачот во 1886 година: тој го обвини топењето на мразот поради големиот притисок на тркачите на мразот за неговото постоење. Ова објаснување има толку многу привлечност што долго време ги прогонуваше учебниците - но за жал, не може да биде точно при поблиска проверка; барем не без добронамерна поддршка од други позначајни причини.
Се разбира, вистина е дека локалното зголемување на притисокот врз мразот доведува до локално намалување на температурата на топење на мразот. Во квантитативна смисла, ова намалување на точката на топење предизвикано од притисок доведува само до многу слаб резултат: скејтер кој тежи околу 70 кг и се лизга на лизгалки со должина на сечилото од 30 см и ширина на сечилото од 0,5 мм, врши притисок од околу 23 атмосфери на мразот - приближно колку притисокот на целосно спакуваниот камион во движење на улица. Овој многу значителен притисок ја намалува точката на топење на мразот за само една петтина од степенот! Дури и при температури на мраз, само неколку степени под точката на замрзнување, не би се формирал воден филм.
Друг аргумент против топењето предизвикано од притисок: Како резултат, се повеќе и повеќе вода ќе се појавуваше под тркачите кога стоеше на лизгалки, а лизгачот ќе потоне во мразот. Очигледно ова е во спротивност со нашето искуство.
Триењето прави многу повеќе
Студиите на Боуден и Хјуз од 1939 година, на Еванс и колеги од 1976 година и фон Колбек од 1995 година укажуваат на еден сосема поинаков, многу поефикасен механизам како причина за формирање на филмот за вода: триењето на топлината што се создава кога сечилата на скејт се движат преку мразот до значително топење на мразот на површината и со тоа се создава експериментално набудуваниот тенок филм на вода.
Овој механизам е поддржан од фактот дека ја објаснува драматичната разлика помеѓу триечката сила што е потребна за да се активира скејт од мраз (статичко триење) и триењето што делува на скејтот што е поместен (лизгачко триење). Лизгачкото триење на мразот се намалува на стоти дел од статичкото триење веднаш штом ќе се лизнете. Разликата е во тоа што течниот филм се создава само од топлината што се создава при лизгање. Спротивно на тоа, лизгалките на стационарниот лизгач доживуваат статичко триење кое е практично исто како и на другите мазни цврсти површини. За разлика од ова, ситниот воден филм предизвикан од контактниот притисок е подеднакво густ при стоење и лизгање, така што нема значителна разлика помеѓу јачината на статичкото и лизгачкото триење. Лизгачкото триење на мразот се намалува на стоти дел од статичкото триење веднаш штом ќе се лизнете.
Надвор од квалитативните согледувања, ова објаснување дозволува квантитативни предвидувања кои добро се согласуваат со набудувањата. Со количината на топлина генерирана од лизгачкото триење на скејтер од 70 кг од горенаведениот пример, може да се стопи до 12 мм 3 мраз, во зависност од температурата на мразот, што би резултирало во воден филм со максимална дебелина од 40 микрометри. Всушност, филмот е потенок затоа што водата се турка настрана од тежината на лизгачот на неа и затоа што не може да се искористи целата топлинска топлина што се создава за топење на мразот. Дел од топлината се шири нагоре низ тркачите и надолу низ мразот.
Сепак, загубата на топлина преку дисипација се намалува со зголемување на брзината, бидејќи топлината може да тече само низ парче мраз додека скејтот го надминува. При помала брзина, времето на преминување е подолго, така што поголем дел од топлината дифундира во длабочините на мразот. Кога работи брзо, помалку топлина се расфрла и се користи скоро целосно за топење на мразот. Како резултат, дебелината на филмот за вода се зголемува со зголемување на брзината и триењето нагло се намалува, како што Еванс и неговите колеги експериментално забележаа во 1976 година.
Меѓутоа, со уште побрзо лизгање, триењето повторно се зголемува бидејќи од една страна, филмот со вода повеќе не се менува значително, од друга страна силата на триење се зголемува линеарно со брзината според законот на Стоукс. Значи, има опсег на брзина на минимално триење со лизгање. Со соодветен избор на материјал на тркач, големина и форма на тркач, за дадена температура на мраз и позната тежина на лизгачот, овој опсег на минимално триење со лизгање може да се постигне со брзина од неколку метри во секунда, т.е. со брзина релевантна за уметничко лизгање.
Ски и тобоган добро!
Исклучително малото триење на мразот е предизвикано од филм на вода на површината. Топењето предизвикано од притисок и „површинското топење“ (види рамка подолу) може да го поддржат формирањето на овој филтер за вода, но тие не се доминантни или доволни сами по себе. Наместо тоа, одлучувачки фактор е фрикционата топлина што се создава при лизгање, што го топи мразот.
Размислувањата сумирани во овој напис се директно применливи за скијање и санкање. Како што се зголемува контактната површина, пропорциите на триење на топлината и топењето предизвикано од притисок при формирањето на филмот на вода се намалуваат во споредба со топењето на површината, но триењето на триењето е сепак доминантно дури и за контактната површина на ски.
Theицата во блокот мраз
Во врска со уметничко лизгање, луѓето сакаат да се осврнат на едноставен експеримент: бакарна жица, со тежина прикачена на секој крај и која е поставена над блок мраз, се топи низ блокот мраз за неколку часа. Но, дека ова набvationудување, кое е само по себе правилно, не може да се објасни со топење предизвикано од притисок, може да се види од фактот дека најлонска нишка во никој случај не се влече низ блокот мраз под притисок. Наместо тоа, добрата топлинска спроводливост на жицата обезбедува локално топење, под услов тежините да бидат доволно топли.
Топење на површината
Постои и трет придонес што придонесува за формирање на набудуваниот тенок воден слој под сечилата на скејт: т.н. „топење на површината“. Ова значи дека дури и без тело (скејт за мраз) на ледената површина, се создава слој вода на површината на мразот, единствено поради разликите во условите на врзување во мразот („сите околу молекулите на водата“) и на неговата површина („само под и следните молекули на вратата, но не над "). Сепак, овој природен воден слој е дебел само неколку нанометри, како што утврдија Даш и колегите во 2006 година. За забележително намалување на триењето на лизгање, филмот за вода мора да биде околу сто пати подебел. Како топење предизвикано од притисок, топењето на површината е чисто термодинамички ефект. Ако се претпоставува дека е доминантен ефект во формирањето на водниот слој, тој не може да ја објасни експериментално забележаната силна зависност на лизгачкото триење од брзината повеќе од топењето предизвикано од притисок.