Hvorfor er isen så glat?

Svaret ligger i en film af vand, der genereres af friktion, en, der er langt tyndere end forventet og meget mere tyktflydende end normalt vand på grund af sin lighed med "snekegler" af knust is, vi drikker i løbet af sommeren. Dette fænomen blev for nylig demonstreret af forskere fra CNRS og ENS-PSL, med støtte fra École polytechnique, i en undersøgelse, der dukkede op i Fysisk gennemgang X den 4. november, 2019.

Isens "glatte" natur tilskrives generelt dannelsen af ​​et tyndt lag flydende vand, der dannes ved friktion, hvilket for eksempel tillader en skøjteløber at "surfe" oven på denne flydende film. Egenskaberne for dette tynde lag vand var aldrig blevet målt før:tykkelsen forblev stort set ukendt, mens dens egenskaber, og endda dens eksistens, var genstand for debat. Hvad mere er, da flydende vand er kendt for at være et dårligt smøremiddel, hvordan kunne denne flydende film reducere friktion og gøre is glat?

For at løse dette paradoks, forskere fra Laboratoire de physique de l'ENS (CNRS/ENS-PSL/Sorbonne Université/Université de Paris), i samarbejde med et team fra Laboratoire d'hydrodynamique (LadHyX, CNRS/École polytechnique), udviklet en enhed udstyret med en stemmegaffel - svarende til dem, der bruges i musik - der kan "høre" kræfterne, der arbejder under isglidning med bemærkelsesværdig præcision. På trods af instrumentets størrelse, der måler et par centimeter, den er følsom nok til at undersøge is og analysere egenskaberne ved friktion på en nanometrisk skala.

Takket være deres unikke enhed, forskerne var i stand til klart at demonstrere for første gang, at friktion faktisk genererer en film af flydende vand. Denne film bød ikke desto mindre på en række overraskelser:med en tykkelse på et par hundrede nanometer til en mikron, eller en hundrededel tykkelsen af ​​en hårstreng, det er meget tyndere end teoretiske skøn havde antydet. Endnu mere uventet, denne film er slet ikke "simpelt vand, "men består af vand, der er lige så viskøst som olie, med komplekse viskoelastiske egenskaber. Denne uventede adfærd tyder på, at overfladeis ikke helt omdannes til flydende vand, men ender i stedet i en blandet tilstand, der ligner "snekegler, "en blanding af isvand og knust is. Mysteriet om at glide på is kan derfor findes i den" tyktflydende "natur af denne vandfilm.

Disse resultater viser, at der er behov for en grundig revision af de teoretiske beskrivelser, der er blevet foreslået for at beskrive friktion på is. De usædvanlige egenskaber ved smeltevand er en nøglefaktor, der ikke er taget i betragtning før nu. Dette vil hjælpe med bedre at forstå fænomenet isglidning, i vintersport f.eks. og vil også hjælpe med at foreslå innovative løsninger til øget friktion for at undgå at skride på iskolde veje.