[CLIP: Skates cut across the ice at an ice rink, and music plays in the background.]
Kendra Pierre-Louis: Είμαστε λοιπόν εδώ σήμερα στο Κάτω Μανχάταν για πατινάζ στον πάγο. Υπάρχουν πολλά παιδιά που κάνουν πατινάζ τριγύρω, μάγκες με πατίνια χόκεϊ, και είμαι εδώ για να βάλω την εσωτερική μου Michelle Kwan.
[CLIP: Skates cut across the ice at an ice rink, and music plays in the background.]
Σχετικά με την υποστήριξη της επιστημονικής δημοσιογραφίας
Εάν απολαμβάνετε αυτό το άρθρο, σκεφτείτε να υποστηρίξετε τη βραβευμένη δημοσιογραφία μας συνδρομή. Με την αγορά μιας συνδρομής βοηθάτε να διασφαλιστεί το μέλλον των εντυπωσιακών ιστοριών σχετικά με τις ανακαλύψεις και τις ιδέες που διαμορφώνουν τον κόσμο μας σήμερα.
Pierre-Louis: Εάν το σκεφτείτε πραγματικά, το πατινάζ στον πάγο είναι απλώς ελεγχόμενη ολίσθηση στον πάγο. Και όποτε πάω για πατινάζ δεν μπορώ να μην σκέφτομαι τους Χειμερινούς Ολυμπιακούς Αγώνες, όπως αυτοί που γίνονται αυτή τη στιγμή στην Ιταλία.
[CLIP:NBC Olympics commentator Sloane Martin discusses a mixed doubles curling competition on February 6: “Welcome inside the Cortina Curling Olympic Stadium. The U.S. mixed curling duo of Korey Dropkin and Cory Thiesse faces Team Canada in a matchup of unbeaten teams.â€]
Pierre-Louis: Και βλέποντας τους Ολυμπιακούς Αγώνες άρχισα να συνειδητοποιώ ότι αν εσύ πραγματικά Σκεφτείτε το, τόσα πολλά από τα χειμερινά Ολυμπιακά αθλήματα αφορούν απλώς την ελεγχόμενη ολίσθηση στον πάγο, όπως το έλκηθρο με το μπόμπσλεντ, το λούζ, το κέρλινγκ. Και όμως οι επιστήμονες εξακολουθούν να μην γνωρίζουν πραγματικά γιατί ο πάγος είναι ολισθηρός.
Σίγουρα, έχουν θεωρίες, όπως η πίεση που ασκούμε στον πάγο μπορεί να λιώσει τον πάγο, δημιουργώντας ένα λεπτό υδαρές στρώμα. Αλλά οι επιστήμονες συμφωνούν κυρίως ότι αυτές οι θεωρίες δεν είναι η πλήρης εικόνα. Η ολισθηρότητα του πάγου είναι στην πραγματικότητα ακόμα ένα μυστήριο.
Paulina Rowińska: Είναι μια τόσο απλή ερώτηση που θα έπρεπε να είχε απαντηθεί πριν από αιώνες. Αλλά αποδεικνύεται ότι όλα τα πράγματα που μάθαμε στο σχολείο, δεν είναι απολύτως σωστά, όπως συμβαίνει με πολλά, πολλά άλλα πράγματα.
Pierre-Louis: Σήμερα λοιπόν θα προσπαθήσουμε να πάρουμε κάποιες απαντήσεις.
[CLIP: Theme music]
Pierre-Louis: Για Scientific American‘μικρό Επιστήμη γρήγορα, Είμαι η Kendra Pierre-Louis, για τη Rachel Feltman.
Υπάρχουν τουλάχιστον τρεις μακροχρόνιες επιστημονικές θεωρίες που προσπαθούν να εξηγήσουν τι κάνει τον πάγο να γλιστράει.
Μία από τις παλαιότερες πιθανές εξηγήσεις χρονολογείται από τα μέσα του 1800. Προέρχεται από έναν Σκωτσέζο μηχανικό ονόματι Τζέιμς Τόμσον, τον μεγαλύτερο αδερφό του διάσημου φυσικού Λόρδου Κέλβιν. Και περιλαμβάνει την πίεση που ασκεί ένα αντικείμενο στον πάγο.
Rowińska: Γνωρίζουμε ότι η θερμοκρασία τήξης είναι γενικά μηδέν βαθμοί Κελσίου, ή 32 [degrees] Θερμόμετρο Φαρενάιτ. Και πάνω από αυτό έχουμε νερό? κάτω από αυτό έχουμε πάγο. Αλλά μετά αλλάζει η πίεση, αυτό αλλάζει τις ιδιότητες του νερού.
Pierre-Louis: Αυτή είναι η Paulina Rowińska, την οποία ακούσαμε επίσης στην κορυφή του επεισοδίου. Είναι δημοσιογράφος επιστημών στο Περιοδικό Quanta, και έγραψε ένα άρθρο τον Δεκέμβριο που έσκαψε τις ανταγωνιστικές θεωρίες σχετικά με το γιατί ο πάγος είναι ολισθηρός.
Μία από τις υποθέσεις είναι ότι όταν πατάμε πάνω στον πάγο, ασκούμε πίεση πάνω του, μειώνοντας πιθανώς το σημείο τήξης.
Rowińska: Κάνει παγωνιά εκεί έξω, αλλά πλησιάζουμε πιο κοντά στη θερμοκρασία τήξης, οπότε μπορεί να λιώνουμε, όπως, το επιφανειακό στρώμα του πάγου. Και τότε θα έπαιρνε ένα είδος στρώματος νερού, και σε όλους μας αρέσει, το νερό είναι ολισθηρό επειδή είναι υγρό, όχι στερεό.
Pierre-Louis: Ο Thomson κατέληξε σε αυτήν την ιδέα – ότι η πίεση στον πάγο δημιουργεί βασικά ένα υγρό στρώμα – μελετώντας τους παγετώνες, λέει ο Martin Müser.
Ο Μάρτιν είναι θεωρητικός φυσικός στο Τμήμα Επιστήμης Υλικών στο Πανεπιστήμιο του Σάαρλαντ.
Χελιδόνι Κύριος: Παγετώνες, υπάρχει ένα βαρύ, βαρύ φορτίο που κάθεται στα σημεία επαφής, και ξέρουμε ότι όταν βρισκόμαστε λίγο πιο κάτω από το σημείο πήξης και συμπιέζουμε τον πάγο, γίνεται υγρό. Ετσι [Thomson] υποστήριξε ότι ο πάγος υγροποιείται λόγω της πίεσης.
Pierre-Louis: Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα με την υπόθεση της πίεσης – ένα μεγάλο πρόβλημα, σύμφωνα με τον Daniel Bonn, καθηγητή φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ.
Δανιήλ Βόννη: Θα χρειαστείτε 10 ελέφαντες να στηρίζονται σε ένα μόνο πατίνι για να έχετε μια αξιοπρεπή ποσότητα τήξης λόγω της πίεσης.
Pierre-Louis: Δεδομένου ότι οι άνθρωποι δεν ζυγίζουν όσο 10 ελέφαντες και ακόμα καταφέρνουμε να γλιστρήσουμε στον πάγο, η πίεση από μόνη της δεν φαίνεται να είναι ο λόγος που ο πάγος είναι ολισθηρός. Έτσι προέκυψε μια άλλη θεωρία – και αυτή είναι ιδιαίτερα δημοφιλής μεταξύ των τριβολόγων, επιστημόνων που μελετούν την τριβή, τη λίπανση και τη φθορά μεταξύ κινούμενων επιφανειών.
Να και πάλι ο Μάρτιν.
Κύριος: Όταν μιλάς με έναν τριβολόγο, ιδιαίτερα στον τομέα της τριβής πάγου, θα έδινε μια εξήγηση που είχε προταθεί από τον Frank Bowden. Και έκανε ένα πολύ προσεγμένο πείραμα στις Άλπεις όπου έβαλε δύο πανομοιότυπα σκι – είχαν το ίδιο βάρος, το ίδιο φινίρισμα επιφάνειας, τα ίδια όλα – αλλά το ένα διοχέτευε τη θερμότητα μέσα λίγο καλύτερα από το άλλο. Και αυτό που διοχέτευε τη θερμότητα λιγότερο καλά ήταν αισθητά πιο γρήγορο. Έτσι είπε, «Κοίτα, αυτό που συμβαίνει είναι επειδή έχεις τριβή, παίρνεις θερμότητα. Οταν [there's] θερμότητα, λιώνει το νερό και όσο περισσότερη θερμότητα συγκρατείται στην επαφή, τόσο καλύτερη είναι. Αυτό που συμβαίνει λιώνει με θέρμανση με τριβή.â€
Pierre-Louis: Η ιδέα που διατύπωσε ο Bowden με έναν άλλο φυσικοχημικό, τον TP Hughes, είναι ότι καθώς περπατάμε ή κάνουμε πατινάζ στον πάγο, η τριβή που δημιουργούμε θερμαίνει και λιώνει την επιφάνεια. Η έννοια ονομάζεται θέρμανση με τριβή.
Η ομάδα του Daniel έκανε πειράματα όπου μέτρησε την τριβή στον πάγο σε ένα πολύ μεγάλο εύρος θερμοκρασίας, από -100 βαθμούς C ή -148 βαθμούς F, έως το σημείο πήξης του νερού.
Βόννη: Και τότε συμβαίνουν κάθε είδους ενδιαφέροντα πράγματα. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες – μάλλον δεν θέλετε να κάνετε πατινάζ στον πάγο ούτως ή άλλως στους -100 [degrees C]αλλά στην πραγματικότητα είναι αδύνατο να κάνεις πατινάζ στον πάγο γιατί η τριβή είναι πολύ υψηλή. Αλλά μετά αυξάνοντας τη θερμοκρασία από αυτές τις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η τριβή μειώνεται επακρώς ταχέως.
Pierre-Louis: Ο Daniel και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι η τριβή μειώθηκε μέχρι τη θερμοκρασία περίπου -7 βαθμών Κελσίου, που είναι περίπου 20 βαθμούς Φ. Αλλά όταν πλησίασαν το σημείο τήξης του πάγου, η τριβή ανέβηκε ξανά.
Βόννη: Και αυτό είναι κάτι που έχετε βιώσει αν κάνετε πατινάζ στον πάγο: αν ο πάγος είναι πολύ ζεστός, στην πραγματικότητα γίνεται χυλός και αφήνετε ίχνη στον πάγο, που είναι αυτό που λέμε τριβή στο όργωμα. Και έτσι ήμασταν πολύ χαρούμενοι γιατί διαπιστώσαμε ότι υπήρχε η βέλτιστη θερμοκρασία για πατινάζ στον πάγο, που είναι -7 βαθμοί Κελσίου. “Το ξέρουμε αυτό εδώ και πολλές δεκαετίες.â€
Pierre-Louis: Αυτά τα πειράματα ενίσχυσαν για τον Daniel ότι η απάντηση στο τι κάνει τον πάγο να γλιστρά βρίσκεται πέρα από την τριβή.
Σίγουρα, η θέρμανση με τριβή μπορεί να είναι υπεύθυνη για το λιώσιμο του πάγου στο ξύπνιο μας—δηλαδή, το λιώσιμο του πάγου πίσω μας—αλλά, όπως όλοι γνωρίζουμε, ο πάγος γλιστρά πριν καν τον πατήσετε, πριν καν συμβεί τριβή.
Βόννη: Όπως γνωρίζετε, είναι δύσκολο να παραμείνετε όρθιοι στον πάγο, ακόμα και με μηδενική ταχύτητα, ναι; Και έτσι δεν πιστεύουμε ότι η ίδια η ολίσθηση έχει να κάνει με αυτό.
Pierre-Louis: Επομένως, εάν δεν είναι πίεση ή τριβή, μπορεί ο πάγος να γλιστράει επειδή υπάρχει ήδη ένα προ-λιωμένο στρώμα νερού από πάνω;
Η Παυλίνα λέει ότι αυτό υποδηλώνει μια τρίτη υπόθεση.
Rowińska: Αυτό λοιπόν έχει να κάνει με το πώς είναι δομημένος ο πάγος. Έτσι, ξέρετε, ο πάγος είναι απλώς νερό. Έχουμε λοιπόν μόρια νερού, αλλά είναι δομημένα με πολύ τακτοποιημένο τρόπο, έτσι σχηματίζουν δεσμούς, και είναι σαν ένα ωραίο πλέγμα. Γι’ αυτό ο πάγος είναι στερεός. Σε ένα υγρό, όπως το υγρό νερό, τα μόρια κινούνται ελεύθερα και η δομή είναι πολύ πιο χαλαρή.
Έτσι, η ιδέα είναι ότι κοντά στην επιφάνεια του πάγου οι δεσμοί είναι πολύ πιο αδύναμοι, επομένως είναι κάπως σαν ένα όριο μεταξύ δύο διαφορετικών υλικών. Επομένως, δεν είναι ότι η επιφάνεια του πάγου λιώνει, αλλά υπάρχει, όπως, ένα προ-λιωμένο στρώμα νερού πάνω από τον πάγο λόγω αυτών των δομικών διαφορών μεταξύ νερού και πάγου.
Pierre-Louis: Αυτή η θεωρία, όπως και η υπόθεση της πίεσης, χρονολογείται από το 1800. Προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Άγγλο χημικό και φυσικό Michael Faraday, εξηγεί ο Martin.
Κύριος: Βασικά είδε ότι από το να βάλει δύο παγάκια μαζί, και όταν ήταν φρέσκα θα γλιστρούσαν, αλλά αν περίμενε λίγο περισσότερο, είχαν κολλήσει. Έτσι, θα σχηματιζόταν μια ενιαία, βασικά, διεπαφή, και είπε, «Λοιπόν, είναι ολισθηρές γιατί πρέπει να υπάρχει ένα πολύ λεπτό λιπαντικό στρώμα». Και τα τελευταία 30, 40 χρόνια έγινε πολλή πειραματική προσπάθεια που αποδείκνυε την ύπαρξη αυτού του στρώματος.
Pierre-Louis: Αλλά και αυτή η θεωρία έχει τρύπες. Μεταξύ αυτών, ο Μάρτιν λέει …
Κύριος: Είναι αυτό το στρώμα είναι σχετικά λεπτό. Και ένα πολύ λεπτό στρώμα, ακόμα κι αν το ιξώδες του υγρού είναι τόσο μικρό όσο αυτό του νερού, θα εξακολουθούσε να δημιουργεί αρκετά αισθητή τριβή. [Laughs.]
Pierre-Louis: Ας ανακεφαλαιώσουμε λοιπόν: οι τρεις μακροχρόνιες, κύριες υποθέσεις σχετικά με το γιατί ο πάγος είναι ολισθηρός είναι, μία, η πίεση που ασκείται από ένα αντικείμενο λιώνει τον πάγο, προκαλώντας μας να γλιστρήσουμε. Δεύτερον, η τριβή θερμαίνει τον πάγο, προκαλώντας μας να γλιστρήσουμε. Και τρία, ο πάγος έχει ένα λεπτό στρώμα προλιωμένου νερού που, πάλι, μας κάνει να γλιστρήσουμε.
Από τη μια πλευρά, όλες αυτές οι θεωρίες έχουν ελαττώματα. Από την άλλη πλευρά, προσομοιώσεις σε υπολογιστή που έγιναν από μια ομάδα Ευρωπαίων επιστημόνων πριν από μερικά χρόνια υποδηλώνουν ότι μπορεί να μην είναι καμία από αυτές τις θεωρίες αλλά όλες μαζί.
Ίσως αναρωτιέστε: «Γιατί έχει σημασία κάτι από όλα αυτά; Εμείς ξέρω ότι ο πάγος γλιστράει. Έχει πραγματικά σημασία αν ξέρουμε γιατί; Για τον Daniel, ο οποίος είναι Ολλανδός, είναι στην πραγματικότητα θέμα εθνικής υπερηφάνειας.
[CLIP: “Het Wilhelmusâ€]
Βόννη: Έτσι, η πιο σημαντική εφαρμογή για τους Ολλανδούς είναι να πάρουν χρυσά μετάλλια στο πατινάζ ταχύτητας, ναι; Επομένως, είμαστε οι καλύτεροι πατινάζ ταχύτητας στον κόσμο, και θέλουμε να το διατηρήσουμε έτσι, και έτσι θέλουμε επίσης να έχουμε την ταχύτερη πίστα πατινάζ στον πάγο.
Pierre-Louis: Αλλά έχει επίσης σημασία αν δεν είσαι Ολλανδός, λέει.
Βόννη: Είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον να σκεφτούμε γιατί τα πράγματα είναι ολισθηρά γιατί αν καταλάβετε τι συμβαίνει εκεί, ίσως μπορέσετε να μεταφέρετε αυτή τη γνώση σε άλλα συστήματα. Και έτσι τα πράγματα που είναι εξαιρετικά ολισθηρά είναι εξαιρετικά ενδιαφέροντα επειδή η τριβή είναι υπεύθυνη για περίπου το 25 τοις εκατό της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας, ναι; Και έτσι η τριβή στον πάγο είναι κατά προσέγγιση μια τάξη μεγέθους μικρότερη από την τριβή σε όλα τα άλλα υλικά. Και έτσι, αν μπορούσατε να το μεταφέρετε σε όλα τα κινούμενα μέρη του κόσμου, θα εξοικονομούσατε σχεδόν το 25 τοις εκατό της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας.
Pierre-Louis: Με άλλα λόγια ο πάγος είναι πιο ολισθηρός από τα περισσότερα άλλα υλικά. Εάν οι επιστήμονες μπορούσαν να καταλάβουν γιατί, θα μπορούσαν να μιμηθούν τη συμπεριφορά του για χρήση σε άλλες εφαρμογές, όπως ράγες τρένων ή μηχανοκίνητη ενέργεια. Αυτό θα μας επέτρεπε να χάσουμε λιγότερη ενέργεια από την τριβή, μειώνοντας τη χρήση ενέργειας στη διαδικασία.
Ας επανέλθουμε όμως στο αιώνιο ερώτημα γιατί ο πάγος γλιστράει. Πέρυσι εμφανίστηκε μια νέα θεωρία.
Να και πάλι η Παυλίνα.
Rowińska: Έτσι, μια νέα υπόθεση βγήκε πέρυσι σε μια εφημερίδα, και η ιδέα είναι: δεν πρόκειται πραγματικά για λιώσιμο. Πρόκειται, σχεδόν, για μια μηχανική κίνηση ατόμων και μορίων στην επιφάνεια. Ξέρετε λοιπόν πώς όταν πατάμε πάνω στον πάγο, καταστρέφουμε τη δομή γιατί υπάρχει κάποια σχεδόν ηλεκτροστατική έλξη – δεν είναι ακριβώς ηλεκτροστατική, αλλά είναι, σαν, μια έλξη μεταξύ των μορίων του παπουτσιού μας και του πάγου. Αλλά μετά συνεχίζουμε – συνεχίζουμε να κάνουμε σκι. συνεχίζουμε να περπατάμε – και συνεχίζουμε να συνδέουμε και να αποσυνδέουμε αυτά τα μόρια.
Άρα υπάρχει… το λένε, σαν, άμορφο στρώμα, άρα είναι ένα στρώμα που μοιάζει με υγρό, αλλά δεν είναι πραγματικά υγρό επειδή είναι πολύ λεπτό. Άρα δεν είναι πραγματικά νερό. Δεν είναι πραγματικά πάγος. Είναι κάτι ενδιάμεσο.
Pierre-Louis: Και ήταν η ομάδα του Μάρτιν που δημοσίευσε αυτή τη θεωρία στο περιοδικό Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης.
Είπε ότι για να καταλάβετε την ιδέα, φανταστείτε να στοιβάζετε ένα μάτσο χαρτοκιβώτια αυγών.
Κύριος: Τα βάζεις τέλεια παράλληλα, φυσικά και θα κολλήσουν. Αλλά οι παγοκρύσταλλοι δεν θα προσανατολιστούν ποτέ τόσο καλά. θα παρεξηγηθούν. Και προς μεγάλη μου έκπληξη είδα ότι αν έβαζα δύο κακώς ευθυγραμμισμένους κρυστάλλους πάγου σε επαφή, ακόμα κι αν πάνε εξαιρετικά, εξαιρετικά κοντά στο απόλυτο μηδέν, θα έβλεπα αμέσως την αμορφοποίηση.
Pierre-Louis: Με άλλα λόγια, αντί για την κρυσταλλική δομή που θα περίμενε κανείς να έχει ο πάγος, η δομή της επιφάνειας αρχίζει να καταρρέει λίγο και να γίνεται πιο άτακτη. Δεν είναι πια αρκετά σταθερό.
Κύριος: Είδαμε λοιπόν αυτή την πολύ γρήγορη αμορφοποίηση στους 10 Κέλβιν, και μετά είπαμε, «Γεια, τώρα ας δούμε τι συμβαίνει στους -10 βαθμούς Κελσίου» ή σε Φαρενάιτ» Δεν ξέρω, περίπου, είναι περίπου 10 [degrees] F ή 12 [degrees] Φ. Και είδαμε ότι και το νερό υγροποιήθηκε.
Pierre-Louis: Το να καταλάβουμε τι καταλαβαίνει ο Μάρτιν βοηθάει να κατανοήσουμε τη διαφορά μεταξύ ενός τακτοποιημένου και ενός διαταραγμένου στερεού.
Ένα διατεταγμένο στερεό είναι όταν όλα τα άτομα είναι διατεταγμένα σε μια ακριβή, επαναλαμβανόμενη τρισδιάστατη δομή – σκεφτείτε μια φάλαγγα Ρωμαίων στρατιωτών όλοι παρατεταγμένοι. Αυτές οι δομές μπορούν να διαχειριστούν μεγάλη πίεση. Για παράδειγμα, τα περισσότερα μέταλλα είναι διατεταγμένες δομές.
Ένα διαταραγμένο στερεό, ωστόσο, είναι πιο χαοτικό. Οι δομές μπορεί να είναι πιο τυχαίες, λιγότερο επαναλαμβανόμενες.
Όταν το νερό γίνεται πάγος, τα εξωτερικά στρώματα είναι διαταραγμένα. η δομή τους μοιάζει με ανοιχτή κηρήθρα. Όταν πατάμε σε αυτήν την επιφάνεια με, ας πούμε, ένα sneaker ή ένα παγοπέδιλο, διαλύουμε αυτή τη δομή, εισάγοντας άγχος στο σύστημα. Καθώς ο πάγος λειτουργεί για να προσαρμόζεται σε αυτή την πίεση, δημιουργεί ένα άμορφο στρώμα – κάτι που δεν είναι αρκετά υγρό και όχι πολύ στερεό – που μας κάνει να γλιστρήσουμε. Ή τουλάχιστον αυτό είναι αργότερο θεωρία.
Κύριος: Μερικές φορές οι άνθρωποι με ρωτούν αν οι άνθρωποι αποδέχονται την απάντηση και εγώ πάντα λέω, «ελπίζω όχι», γιατί υπάρχει [Laughs]κάθε καλή, μη τετριμμένη, σωστή επιστημονική απάντηση αντιμετωπίζεται από πολύ σκεπτικισμό.
Pierre-Louis: Έτσι, την επόμενη φορά που θα πάτε για πατινάζ στον πάγο ή θα σκουπιστείτε σε ένα παγωμένο πεζοδρόμιο, θα έχετε τουλάχιστον μια πιο ξεκάθαρη ιδέα για το γιατί μπορεί να συνέβη.
Αυτά για σήμερα. Συντονιστείτε τη Δευτέρα για την εβδομαδιαία επιστημονική μας ενημέρωση.
Επιστήμη γρήγορα Παράγεται από εμένα, την Kendra Pierre-Louis, μαζί με τους Fonda Mwangi, Sushmita Pathak και Jeff DelViscio. Αυτό το επεισόδιο επιμελήθηκε ο Alex Sugiura. Η Shayna Posses και ο Aaron Shattuck ελέγχουν την εκπομπή μας. Η θεματική μας μουσική συντέθηκε από τον Dominic Smith. Εγγραφή σε Scientific American για περισσότερα ενημερωμένα και σε βάθος επιστημονικά νέα.
Για Scientific American, αυτή είναι η Kendra Pierre-Louis. Καλό Σαββατοκύριακο!
[CLIP: Theme music]
