Isblokke viser svævet og rettet bevægelse

Ligner Leidenfrost -effekten set i hurtigt kogende vanddråber, en isskive bliver meget mobil på grund af et svævende lag vand mellem den og den glatte overflade, hvorpå den hviler og smelter. Den ellers tilfældige rotation og translation (glidning) af isblokken kan styres ved at kontrollere strømningsdynamikken for det smeltede isdrevne vand tæt på skiveoverfladen.

Under forsøget på at forberede et eksperiment for at studere isens vedhæftningsegenskaber, Stéphane Dorbolo, en FNRS seniorforsker i fysik hostet af Université de Liège i Belgien, faldt en petriskålformet isblok på den glatte, betongulv. Dens usædvanlige bevægelse, får tilsyneladende tilfældig rotation, når den bevæger sig hen over gulvet, fik Dorbolo til at undersøge nærmere, hvor hans eventuelle resultater om islevitation offentliggøres i denne uges tidsskrift Væskers fysik , af AIP forlag.

"Historien var en helt anden på grund af denne ulykke, "sagde Dorbolo." Spørgsmålet var, hvorfor bevæger den sig? For faktisk, det er en meget almindelig procedure:du har en isblok, og så smelter den. Men det sker ikke, for eksempel, på en plastikplade. Det sker kun på meget flad sten, eller på en metalplade. Det var starten. "

Kontaktområdet er meget mindre på en skøjtebane, mellem en skøjtebladkant og is, men det er af samme grund, at skøjterne på skøjterne skal være glatte og typisk metalliske, inden for hockey og kunstskøjteløb, hvor jævn bevægelse er afgørende.

Det centrale område af interesse i denne undersøgelse var den smeltende grænseflade, hvor overfladen understøtter en isskive-det være sig glat og ikke-porøs sten, metal eller endda en pool af vand - leverer relativ varme og smelter hurtigt isen.

Dorbolo og hans team har tidligere undersøgt dynamikken i en sådan isdisk, der smelter, mens den hviler på den flydende overflade af vand. Disse isbevægelser styres af forskellige vekselvirkninger, end hvis isen hvilede på en fast overflade, men undersøgelserne viste sig at være enklere, indledende trin og gav indsigt i dynamikken i, hvordan det nyligt smeltede vand strømmer fra isen.

"Hovedideen var at studere isdiskens smeltning på en tallerken, men vi startede med at studere isdisken på et bad, "sagde Dorbolo." Faktisk, da vi kom tilbage til isdiskens smeltning på en tallerken, opdagede vi en helt anden mekanisme. "

Effekten ligner Leidenfrost -effekten, fokus på talrige YouTube -videoer med vanddråber, der "går" og "danser", når de flyder over glatte overflader, der er varme nok til hurtigt at koge dråbernes underside. Den hurtige kogning giver en svævende pude af damp (damp) mellem dråben og varmeoverfladen, øge dråbe mobilitet.

"Det betyder, at du skal have et termisk reservoir, som stenen eller metalpladen, at smelte isen hurtigt nok, "Sagde Dorbolo." Så smeltehastigheden er vigtig. Hvis det ikke er tilstrækkeligt, du har ikke denne smørefilm mellem disken og pladen, og den kan ikke bevæge sig. Derfor sagde vi, at det lignede Leidenfrost -effekten. "

Dorbolo påpegede omhyggeligt, at den svævende flydende pude af deres isskiver ikke ligefrem var analog med den flydende effekt, der mærkes af Leidenfrost -dråberne, selvom deres interesse i at kontrollere bevægelsen var fælles for mange dråbeforsøg.

Den faste-flydende-faste konfiguration af dette fænomen, i modsætning til den for fast gas-væske i tilfælde af dråberne, fik teamet til at fokusere på vandudstrømning fra den kontinuerligt smeltende is for at undersøge kontrol af diskens bevægelse.

"Du har en disk, og den skal smelte hurtigt nok til at have denne smørefilm mellem disken og pladen, og så på grund af denne smøring, isdisken er meget mobil. Så hvis du ikke styrer smeltningen, du vil se isblokken bevæge sig, "Sagde Dorbolo

Hvis du kontrollerer smeltningen, eller mere specifikt strømmen af ​​den smeltede is nær skiven, holdet viste, at isdiskenes sidste drejning og glidende bevægelse kunne opretholdes og rettes.

Denne kontrol blev opnået, i det væsentlige, i form af et lille hul Dorbolos team lavet i overfladen af ​​metalpladen, nær den flydende is. Hullet førte til et udgangsrør, fungerer som et reservoir, gennem hvilket vandet løbende slap ud efter smeltning på det termaliserede metal. For yderligere at indeholde vandstrømmen, holdet brugte også omhyggelig placering af vaselin på tallerkenen.

De fulgte bevægelsen af ​​en given petriskålformet isskive ved hjælp af en sort ellipse frosset oven på isen, taget af et kamera under forsøget. Kontrasten og den asymmetriske form gav mulighed for præcis overvågning af både lineær og rotationsbevægelse af de diske, som Dorbolos gruppe derefter analyserede i forhold til andre data, såsom temperatur og strømningshastigheder.

Deres fund giver indsigt i bevægelsens præcise mekanismer og hvilke faktorer, der driver bevægelser - såsom tykkelsen af ​​vandlaget eller retningen af ​​den cirkulære strømning omkring skivens kant. Forskerne fremhæver også, hvordan de flydende effekter sammenlignes med de analoge dampeffekter på dråber i den mere udbredte undersøgte Leidenfrost -effekt.

Selvom projektet afviger fra Dorbolos primære forskningsmål, han anerkender mange mulige måder, hvorpå studiet kunne videreføres, enten ved at ændre isens form eller pladeoverfladestrukturen for at påvirke strømningsdynamikken. Han sagde også selvsikkert, "Folk vil have ideer."