Бо Перссон, ученый из Исследовательского центра Юлиха в Германии, выдвинул новую теорию, которая описывает, насколько скользким становится лед, когда по нему скользит твердый материал, такой как лыжи. Теория хорошо согласуется с экспериментальными данными и может помочь в разработке более совершенных систем скольжения, например, вышеупомянутых лыж. Это также могло бы способствовать фундаментальному пониманию ледового трения, которое могло бы помочь объяснить движение ледников и другие природные процессы.Перссон сообщает о своих результатах в «Журнале химической физики» от AIP Publishing.
Сказать, что лед скользкий — это просто еще один способ сказать, что у него низкое трение, но предсказать трение льда — непростая задача.Сам по себе лед не скользкий, но он становится таким, когда на его поверхности образуется тонкий слой воды. Вода может появиться, когда тепло от трения тает лед, или через естественный фазовый переход твердого тела в жидкость, называемый предварительным плавлением, который происходит у поверхности даже при температурах значительно ниже температуры замерзания воды в объеме. (Это предварительное плавление впервые наблюдалось более 150 лет назад, когда британский ученый Майкл Фарадей соприкоснулся с двумя кубиками льда и увидел, что они слиплись. Он пришел к выводу, что на поверхности льда был жидкий слой, который замерз, когда два кубика упали. в контакт.)
Еще больше усложняет изучение трения льда тот факт, что контакт между льдом и скользящим объектом происходит на границе раздела двух твердых тел, которая называется скрытой границей раздела.«Практически невозможно изучать непосредственно на молекулярном уровне, что происходит на скрытой границе раздела фаз», — сказал Перссон.
Это связано с тем, что твердый материал блокирует область контакта, и вы не можете рассеивать частицы, такие как ионы или электроны, от границы раздела, чтобы изучить ее, как вы могли бы это сделать для свободной поверхности.Перссон отметил, что хотя предварительное плавление верхнего слоя свободной поверхности льда широко изучалось как теоретически, так и экспериментально, степень, в которой результаты применимы к заглубленной области контакта между льдом и другими твердыми материалами, не ясна.Однако существует широкий спектр экспериментальных данных, показывающих, как температура и скорость скольжения влияют на трение о лед. Главный прорыв Перссона состоял в том, чтобы связать теоретическое описание трения льда с экспериментальными данными.
Он сделал это, разработав уравнение, которое описывает напряжение сдвига при трении льда, которое представляет собой напряжение, которое материал испытывает в зоне реального контакта от силы, параллельной поверхности (например, вызванной скользящей лыжей).Уравнение показывает, как напряжение сдвига зависит от температуры льда на поверхности.
Уравнение предполагает, что, как и свободная поверхность, границы раздела заглубленного льда также могут проявлять поведение перед плавлением.«Самый важный результат состоит в том, что я построил феноменологический закон касательного напряжения, который может объяснить трение льда как функцию скорости скольжения и температуры в широком диапазоне скоростей и температур», — сказал Перссон.Полученные данные способствуют лучшему пониманию физического происхождения трения на льду, что, по словам Перссона, является его главным интересом.
Совсем недавно он расширил свои исследования на трение резины о лед, что важно при разработке зимних шин и обуви. Когда резина скользит по льду, деформация резины играет важную роль в определении трения.
В конечном итоге эта работа может помочь каждому получить больше удовольствия от зимней погоды, независимо от того, хотите ли вы безопасно ходить по льду в обуви или спокойно кататься на санях или лыжах.