Γιατί γλιστράμε στον πάγο; Νέα έρευνα αμφισβητεί θεωρίες αιώνων

Για πάνω από έναν αιώνα, μαθητές σε όλο τον κόσμο μαθαίνουν ότι ο πάγος λιώνει όταν του ασκείται πίεση ή τριβή. Όταν περπατάμε σε παγωμένο πεζοδρόμιο τον χειμώνα και γλιστράμε, η παραδοσιακή εξήγηση λέει ότι αυτό οφείλεται στο βάρος του σώματός μας, που μέσω της (ακόμη ζεστής) σόλας του παπουτσιού μας προκαλεί λιώσιμο του πάγου. Όμως, όπως αποδεικνύεται, αυτή η εξήγηση είναι λανθασμένη.

Νέα έρευνα ανατρέπει την παραδοσιακή θεωρία

Νέα έρευνα που πραγματοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Σάαρλαντ αποκαλύπτει ότι δεν είναι ούτε η πίεση ούτε η τριβή που κάνουν τον πάγο ολισθηρό, αλλά η αλληλεπίδραση μεταξύ μοριακών δίπολων του πάγου και αυτών της επιφάνειας που έρχεται σε επαφή μαζί του—όπως η σόλα ενός παπουτσιού.

Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physical Review Letters και αποτελεί έργο του καθηγητή Μάρτιν Μύζερ και των συνεργατών του Αχράφ Ατίλα και Σεργκέι Σουχομλίνοφ. Τα αποτελέσματα ανατρέπουν το κυρίαρχο μοντέλο που διατυπώθηκε σχεδόν δύο αιώνες πριν από τον Τζέιμς Τόμπσον, αδελφό του λόρδου Κέλβιν, ο οποίος είχε υποστηρίξει ότι η πίεση και η τριβή συμβάλλουν στο λιώσιμο του πάγου.

«Ούτε η πίεση ούτε η τριβή είναι βασικοί παράγοντες», εξηγεί ο Μύζερ

Αντίθετα, προσομοιώσεις στον υπολογιστή δείχνουν ότι τα μοριακά δίπολα είναι οι βασικοί παράγοντες που προκαλούν τον σχηματισμό του λεπτού υγρού στρώματος που μας κάνει να χάνουμε την ισορροπία μας τον χειμώνα.

Τι είναι όμως ένα δίπολο;

Ένα μοριακό δίπολο δημιουργείται όταν ένα μόριο έχει περιοχές με μερικά θετικά και αρνητικά φορτία, δημιουργώντας έτσι μια συνολική πολικότητα που κατευθύνεται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Η κρυσταλλική δομή του πάγου και η «αποδιοργάνωσή» της

Για να κατανοήσουμε καλύτερα τι συμβαίνει, είναι χρήσιμο να γνωρίζουμε πώς είναι δομημένος ο πάγος. Κάτω από το μηδέν, τα μόρια του νερού (H₂O) οργανώνονται σε μια πολύ τακτική κρυσταλλική διάταξη, με τα μόρια να ευθυγραμμίζονται μεταξύ τους και να σχηματίζουν έναν σταθερό κρύσταλλο.

Όταν κάποιος πατάει πάνω σε αυτή τη διάταξη, δεν είναι η πίεση ή η τριβή που διαταράσσει την επιφάνεια, αλλά η ευθυγράμμιση των δίπολων στη σόλα του παπουτσιού που αλληλεπιδρούν με τα δίπολα στον πάγο. Η μέχρι τότε οργανωμένη δομή καταρρέει ξαφνικά.

«Σε τρεις διαστάσεις, αυτές οι αλληλεπιδράσεις δίπολου–δίπολου γίνονται ‘φρακαρισμένες’», εξηγεί ο Μύζερ, αναφερόμενος σε μια έννοια της φυσικής όπου αντικρουόμενες δυνάμεις εμποδίζουν ένα σύστημα από το να αποκτήσει πλήρως τακτοποιημένη και σταθερή δομή.

Σε μικροσκοπικό επίπεδο, οι δυνάμεις μεταξύ των δίπολων στον πάγο και αυτών στο υλικό της σόλας διαταράσσουν τη δομή του πάγου, κάνοντάς την άμορφη και τελικά υγρή.

Ανατροπή και άλλης διαδεδομένης πεποίθησης

Πέρα από την ανατροπή σχεδόν 200 ετών καθιερωμένης γνώσης, η έρευνα καταρρίπτει και μια ακόμα διαδεδομένη αντίληψη.

«Μέχρι τώρα θεωρούσαμε ότι το σκι κάτω από –40°C είναι αδύνατο επειδή είναι πολύ κρύο για να σχηματιστεί ένα λεπτό στρώμα λιπαντικού υγρού κάτω από τα σκι. Αυτό αποδεικνύεται επίσης λανθασμένο», εξηγεί ο καθηγητής Μύζερ.

«Οι διπολικές αλληλεπιδράσεις παραμένουν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Είναι αξιοσημείωτο ότι εξακολουθεί να σχηματίζεται μια υγρή μεμβράνη στη διεπαφή μεταξύ πάγου και σκι, ακόμη και κοντά στο απόλυτο μηδέν», λέει ο Müser.

Ωστόσο, σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες, η μεμβράνη είναι πιο παχύρρευστη από το μέλι. Δύσκολα θα την αναγνωρίζαμε ως νερό και το σκι πάνω της θα ήταν πρακτικά αδύνατο — αλλά η μεμβράνη υπάρχει.

Για τους τραυματίες δεν έχει σημασία, αλλά για τη φυσική έχει

Για κάποιον που έχει τραυματιστεί γλιστρώντας στον πάγο, ίσως να μην έχει ιδιαίτερη σημασία αν έφταιγε η πίεση, η τριβή ή τα δίπολα. Για τη φυσική, όμως, η διάκριση αυτή είναι καθοριστική.

Οι επιπτώσεις αυτής της ανακάλυψης από την ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου του Σάαρλαντ είναι ακόμα υπό διερεύνηση, και η επιστημονική κοινότητα παρακολουθεί με ιδιαίτερο ενδιαφέρον.