سر التزلج والانزلاق.. لماذا يصبح الجليد زلقاً جداً؟

لماذا يكون الجليد زلقا؟

تكمن الإجابة عن هذا السؤال في غشاء رقيق من الماء يتكون فوق الجليد بسبب الاحتكاك، بحيث يكون أرق كثيرا من المتوقع، وأكثر لزوجة من الماء المعتاد بسبب تشابهه مع “مخروط الثلج” الذي يتكون من الثلج المجروش الذي نشربه في الصيف.

هذه الظاهرة أثبتها أخيرا باحثون من المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي، وجامعة باريس للعلوم والآداب، بدعم من كلية البوليتيكنيك، في دراسة نشرت بـ “فيزيكال ريفيو أكس” في الرابع من نوفمبر الجاري.

تعزى طبيعة الجليد “الزلقة” عموما إلى تكوين طبقة رقيقة من الماء السائل الناتج عن الاحتكاك، التي تسمح على سبيل المثال لمتزلج الجليد “بالتزلج” أعلى هذا الغشاء السائل. ولم تتم دراسة خصائص هذه الطبقة الرقيقة من الماء على الإطلاق، وظل سمكها غير معروف إلى حد كبير، في حين أن خواصها، وحتى وجودها ذاته، كانت موضع جدل.

ما هو أكثر من ذلك، بما أن الماء السائل معروف بأنه مادة تشحيم فقيرة، فكيف يمكن لهذا الغشاء السائل أن يقلل الاحتكاك ويجعل الجليد زلقا؟

لحل هذه المفارقة قام الباحثون بتطوير جهاز مزود بشوكة رنانة -شبيهة بتلك التي تستخدم في الموسيقى- ما يمكنه من “سماع” القوى العاملة أثناء التزلج على الجليد بدقة رائعة. وعلى الرغم من حجم الأداة الذي يبلغ بضعة سنتيمترات، فإنها حساسة بدرجة كافية لاستكشاف الجليد وتحليل خصائص الاحتكاك على مقياس نانومتر.

وبفضل الجهاز الفريد، تمكن العلماء من توضيح الأمر لأول مرة، وبيان أن الاحتكاكات تولد بالفعل غشاء من الماء السائل. على الرغم من ذلك، قدم هذا الغشاء عددا من المفاجآت، فسمكه يصل من بضع مئات نانومترات إلى ميكرون فقط، أو واحد على مئة من سمك الشعرة، وهو بذلك أرق كثيرا مما توحي به التقديرات النظرية.

أكثر من ذلك، فإن هذا الغشاء ليس مجرد “مياه بسيطة” على الإطلاق، لكنه يتكون من ماء لزج مثل الزيت، ذي خصائص لزجة مرنة. ويشير هذا السلوك غير المتوقع إلى أن الجليد السطحي لا يتحول تماما إلى ماء سائل، ولكن بدلا من ذلك ينتهي إلى حالة مختلطة على غرار “الأقماع الثلجية”، أي مزيج من الماء المثلج والجليد المسحوق. وبالتالي يمكن العثور على لغز الانزلاق على الجليد في الطبيعة “اللزجة” لهذا الغشاء المائي.

تظهر هذه النتائج أن هناك حاجة إلى تغيير شامل للأوصاف النظرية التي تم اقتراحها للاحتكاك على الجليد. إذ تعد الخصائص الفريدة لمياه الذوبان من العوامل الرئيسة التي لم يتم أخذها في الحسبان حتى الآن.

وسوف يساعد هذا في فهم أفضل لظاهرة التزلج على الجليد، في الرياضات الشتوية على سبيل المثال، ويساعد أيضا في اقتراح حلول مبتكرة لزيادة الاحتكاك لتجنب الانزلاق على الطرق الجليدية.