#105 · Why Ice Is Slippery

In the mid-19th century, Michael Faraday pressed two blocks of ice together and watched them fuse into a single solid. This simple observation of regelation challenged the assumption that ice is a dry solid, revealing a hidden, liquid-like skin that makes the surface inherently slippery.

In 1850, Michael Faraday stood before the Royal Institution and performed a trick with two cubes of ice. He pressed them together for a moment and then let go; the blocks had fused into a single piece. He called this phenomenon regelation. It was a curious result for a material that was supposed to be a stable solid at its freezing point, suggesting that the interface between ice and air was not a hard boundary, but something softer and more mobile.

For most of the twentieth century, textbooks provided a tidy, mechanical explanation for why we can glide across a frozen pond: pressure melting. The theory, first articulated by James Thomson in 1849, argued that the weight of a skater concentrated on a thin blade exerts enough pressure to lower the melting point of the ice, creating a thin film of water for lubrication. It is a compelling story because it relies on the anomalous density of water—the fact that ice occupies more volume than its liquid form.

However, the math of pressure melting is famously uncooperative. To lower the melting point of ice by just one degree Celsius, one must apply roughly 13.5 megapascals of pressure. A typical figure skater, even balanced on a single blade, generates only enough pressure to melt ice at -0.1 °C. If pressure were the only factor, skating in an indoor rink chilled to -5 °C would be as impossible as gliding across dry granite.

The disordered skin

The true source of the slipperiness lies in a phenomenon known as premelting. Even at temperatures forty degrees below zero, the surface of an ice crystal is not quite solid. Because the water molecules at the outermost layer lack neighbors on one side, they cannot form the complete, rigid hexagonal lattice that defines the bulk of the ice. Instead, they vibrate and tumble in a state of chaotic transition.

This quasi-liquid layer is not liquid water in the sense of a puddle; it is a disordered, semi-crystalline film only a few molecules thick. It acts like a coat of microscopic ball bearings, allowing any object—a skate, a stone, or a tyre—to slide with remarkably little resistance. In the 1990s, physicists began using atomic force microscopy to probe this layer directly. They found that as the temperature rises toward zero, the thickness of this mobile skin grows exponentially, from a mere nanometre at -35 °C to nearly 40 nanometres just below the melting point.

While premelting provides the initial lubrication, it is not the whole story once motion begins. Friction itself plays a secondary but critical role. As a skate moves at high velocity, the energy lost to friction is dissipated as heat, which melts a much thicker, truly liquid layer of water. This is why a hockey player can accelerate: the faster they move, the more thermal energy they inject into the interface, thickening the lubricating film.

What we still don't know

We still lack a complete quantitative map of how the quasi-liquid layer behaves under extreme speeds. Most laboratory measurements are taken at the static limit—measuring the layer while it is at rest. The transition between the static premelted film and the dynamic, friction-melted layer remains a difficult boundary to model in real-time.

We do not know the exact temperature at which surface melting ceases entirely. Theoretical models suggest that some form of disorder persists down to -100 °C, but at those depths of cold, the layer becomes so thin and viscous that its lubricating properties may vanish, turning ice into a high-friction material.

And there is the question of impurities. Natural ice is rarely pure water; it is a matrix of dissolved salts and trapped gases. We do not yet fully understand how these chemical guests migrate to the surface to modify the thickness or the viscosity of the slippery skin. The physics of the ice rink is, fundamentally, a study of a material that is perpetually trying to fall apart.

19世紀半ば、マイケル・ファラデーは二つの氷のブロックを押し合わせ、それらが一つの固体に合体するのを観察した。この単純な「融解再凍結」の現象は、氷が乾燥した固体であるという前提を覆し、表面に潜む液体のような皮膜がその性質を滑らかにしていることを明らかにした。

1850年、Michael Faradayは王立研究所で、氷の立方体2つを使ったトリックを披露した。彼はそれらを一瞬押しあわせ、手を放した。すると、氷の塊は1つに合体していた。彼はこの現象をregelationと名付けた。融点で安定した固体であるはずの物質がこうした結果を示したことは奇妙で、氷と空気の界面が硬い境界ではなく、柔らかく、動的な何かであることを示唆していた。

20世紀の大部分において、教科書ではなぜ凍った池の上を滑走できるのかという疑問に対して、すっきりとした機械的な説明が与えられていた。それは圧力融解という理論である。この理論は、1849年にJames Thomsonによって初めて提示されたもので、スケートの刃の上に集中したスケート選手の体重が十分な圧力をかけて氷の融点を下げるため、潤滑のための薄い水の層が生じると主張していた。水の異常な密度、つまり氷が液体よりも体積を占めるという事実に依存するこの説明は、説得力がある。

しかし圧力融解の数式は、よく知られているように協調的ではない。氷の融点をわずか1度下げるためには、約13.5メガパスカルの圧力をかける必要がある。たとえ片足を刃の上にバランスを取った典型的なフィギュアスケート選手でも、生じる圧力は氷を-0.1°Cで溶かす程度である。もし圧力が唯一の要因であるなら、-5°Cに冷やされた屋内アイスリンクでスケートをすることは、乾いた花崗岩の上を滑るように不可能である。

離散的な表面

滑りやすさの真の原因は、premeltingという現象にある。零下40度の温度でも、氷結晶の表面は完全に固体ではない。外側の層にある水分子は片側に隣人がいないため、氷の体積の大部分を構成する完全で剛直な六角格子を形成することができない。かわりに、それらは混雑した遷移状態で振動し、回転している。

このquasi-liquid layerは、水たまりのような意味での液体水ではない。これは数分子分の厚さしかない、不規則で準結晶的なフィルムである。これは、スケートや石、タイヤなど、どのような物体でも、驚くほどわずかな抵抗で滑らせることができる、顕微鏡的ボールベアリングのような役割を果たす。1990年代、物理学者たちはatomic force microscopyを使ってこの層を直接探るようになった。彼らは、温度が0度に近づくにつれて、この動的な表面の厚さが指数関数的に増加することを見いだした。-35°Cではナノメートル単位だったこの層は、融点直前では40ナノメートル近くまで増える。

プレメルティングが初期の潤滑を提供するが、運動が開始された後はそれだけでは説明できない。摩擦自体も補助的だが重要な役割を果たす。スケートが高速で動くと、摩擦によるエネルギー損失は熱として放出され、はるかに厚い、本当に液体状の水の層を溶かす。これがアイスホッケー選手が加速できる理由である。彼らが速く動けば動くほど、界面に注入される熱エネルギーが増し、潤滑層を厚くするからだ。

まだわかっていないこと

私たちは、極限の速度下で準液体層がどうふるまうかについて、まだ完全な定量的な地図を持っていない。ほとんどの実験室での測定は静的な限界、つまり層が静止している状態で行われる。プレメルティングされた静的な層と、動的な摩擦融解層の間の移行は、リアルタイムでモデル化するには難しい境界である。

また、surface meltingが完全に停止する正確な温度もわかっていない。理論モデルは、-100°Cまで何らかの形の不規則が続くことを示唆しているが、そのような極寒の温度では、層は非常に薄く、粘性が高いため、その潤滑性が失われ、氷は高摩擦の素材になる可能性がある。

そして、不純物の問題もある。自然の氷はほとんどが純粋な水ではない。それは溶解した塩や閉じ込められたガスのマトリクスである。これらの化学的な「客」が表面に移動して、滑りやすい層の厚さや粘性をどう変化させるのか、まだ完全には理解していない。アイスリンクの物理学とは、本質的に常に崩壊しようとする素材の研究なのである。

No meio do século XIX, Michael Faraday pressionou dois blocos de gelo e observou-os fundir-se em um sólido único. Esta simples observação da regelation desafiou a suposição de que o gelo é um sólido seco, revelando uma camada oculta, semelhante a líquido, que torna a superfície inerentemente escorregadia.

Em 1850, Michael Faraday estava diante da Royal Institution e realizou um truque com dois cubos de gelo. Ele os pressionou por um momento e depois soltou-os; os blocos tinham se fundido em uma única peça. Ele chamou este fenômeno de regelation. Era um resultado curioso para um material que deveria ser um sólido estável em seu ponto de congelamento, sugerindo que a interface entre gelo e ar não era uma fronteira dura, mas algo mais mole e móvel.

Por quase todo o século XX, os manuais escolares ofereciam uma explicação limpa e mecânica para o fato de podermos deslizar sobre uma lagoa congelada: fusão por pressão. A teoria, primeiramente formulada por James Thomson em 1849, argumentava que o peso de um patinador concentrado em uma lâmina fina exercia pressão suficiente para reduzir o ponto de fusão do gelo, criando uma fina película de água para lubrificação. É uma explicação persuasiva porque se baseia na densidade anômala da água — o fato de que o gelo ocupa mais volume do que sua forma líquida.

No entanto, a matemática da fusão por pressão é notoriamente desafiadora. Para reduzir o ponto de fusão do gelo em apenas um grau Celsius, é necessário aplicar cerca de 13,5 megapascals de pressão. Um patinador típico, mesmo equilibrado em uma única lâmina, gera apenas pressão suficiente para derreter o gelo a -0,1 °C. Se a pressão fosse o único fator, patinar em uma pista climatizada a -5 °C seria tão impossível quanto deslizar sobre granito seco.

A camada desordenada

A verdadeira causa do escorregadio está em um fenômeno conhecido como premelting. Mesmo a temperaturas quarenta graus abaixo de zero, a superfície de um cristal de gelo não é exatamente sólida. Como as moléculas de água na camada mais externa não têm vizinhos em um dos lados, elas não conseguem formar a rede hexagonal completa e rígida que define o interior do gelo. Em vez disso, elas vibram e se movem em um estado de transição caótica.

Esta quasi-liquid layer não é água líquida no sentido de uma poça; é uma película desordenada, semi-cristalina, com apenas algumas moléculas de espessura. Age como um revestimento de pequenas esferas, permitindo que qualquer objeto — uma lâmina de patins, uma pedra ou um pneu — deslize com notável facilidade. Nos anos 1990, físicos começaram a usar atomic force microscopy para investigar diretamente esta camada. Eles descobriram que, à medida que a temperatura sobe em direção a zero, a espessura desta camada móvel cresce exponencialmente, de um mero nanômetro a -35 °C para quase 40 nanômetros logo abaixo do ponto de fusão.

Embora a premelting forneça a lubrificação inicial, ela não é a história completa uma vez que o movimento começa. O atrito em si desempenha um papel secundário, mas crítico. À medida que uma lâmina de patins se move com alta velocidade, a energia perdida pelo atrito é dissipada como calor, derretendo uma camada muito mais espessa de água verdadeiramente líquida. É por isso que um jogador de hóquei pode acelerar: quanto mais rápido se move, mais energia térmica injeta na interface, aumentando a espessura da película lubrificante.

O que ainda não sabemos

Ainda não temos um mapa quantitativo completo de como a camada quasi-líquida se comporta em velocidades extremas. A maioria das medições em laboratório é feita no limite estático — medindo a camada enquanto está parada. A transição entre a película premelting estática e a camada dinâmica, derretida pelo atrito, permanece uma fronteira difícil de modelar em tempo real.

Não sabemos a temperatura exata em que surface melting cessa totalmente. Modelos teóricos sugerem que alguma forma de desordem persiste até -100 °C, mas a essa profundidade de frio, a camada torna-se tão fina e viscosa que suas propriedades lubrificantes podem desaparecer, transformando o gelo em um material de alto atrito.

E há a questão das impurezas. O gelo natural raramente é água pura; é uma matriz de sais dissolvidos e gases presos. Ainda não compreendemos plenamente como esses "hóspedes químicos" migram até a superfície para modificar a espessura ou a viscosidade da camada escorregadia. A física da pista de gelo é, fundamentalmente, o estudo de um material que está constantemente tentando se desintegrar.

En el siglo XIX, Michael Faraday apretó dos bloques de hielo entre sí y observó que se fundían en un solo sólido. Esta simple observación de la regelación desafió la suposición de que el hielo es un sólido seco, revelando una piel oculta, similar a la de un líquido, que hace que la superficie sea inherentemente resbaladiza.

En 1850, Michael Faraday se puso frente a la Royal Institution y realizó una trampa con dos cubos de hielo. Los presionó juntos por un momento y luego los soltó; los bloques se habían fusionado en una sola pieza. Llamó a este fenómeno regelation. Fue un resultado curioso para un material que se suponía que era un sólido estable en su punto de congelación, sugiriendo que la interfaz entre el hielo y el aire no era un límite duro, sino algo más suave y móvil.

Durante gran parte del siglo veinte, los libros de texto proporcionaron una explicación ordenada y mecánica de por qué podemos deslizarnos sobre un lago helado: el derretimiento por presión. La teoría, primeramente articulada por James Thomson en 1849, sostenía que el peso de un patinador concentrado en una cuchilla fina ejerce suficiente presión como para reducir el punto de fusión del hielo, creando una fina película de agua para lubricar. Es una historia atractiva porque se apoya en la densidad anómala del agua: el hecho de que el hielo ocupe más volumen que su forma líquida.

Sin embargo, la matemática del derretimiento por presión es famosamente incooperativa. Para reducir el punto de fusión del hielo tan solo un grado Celsius, se debe aplicar aproximadamente 13,5 megapascales de presión. Un patinador típico, incluso equilibrado sobre una sola cuchilla, genera solamente suficiente presión como para derretir el hielo a -0,1 °C. Si la presión fuera el único factor, patinar en una pista interior enfriada a -5 °C sería tan imposible como deslizarse sobre granito seco.

La piel desordenada

La verdadera fuente de la resbaladiza consiste en un fenómeno conocido como premelting. Incluso a temperaturas cuarenta grados por debajo de cero, la superficie de un cristal de hielo no es del todo sólida. Debido a que las moléculas de agua en la capa más externa carecen de vecinos en un lado, no pueden formar la red hexagonal completa y rígida que define el interior del hielo. En su lugar, vibran y se mueven en un estado de transición caótico.

Esta quasi-liquid layer no es agua líquida en el sentido de un charco; es una película desordenada, semicristalina, de solo unos pocos átomos de espesor. Actúa como una capa de microscópicos rodamientos, permitiendo que cualquier objeto—una cuchilla, una piedra o un neumático—se deslice con una resistencia notablemente baja. En la década de 1990, los físicos comenzaron a usar atomic force microscopy para investigar directamente esta capa. Descubrieron que a medida que la temperatura sube hacia cero, el grosor de esta piel móvil crece exponencialmente, desde un simple nanómetro a -35 °C hasta casi 40 nanómetros justo por debajo del punto de fusión.

Aunque el premelting proporciona la lubricación inicial, no es la totalidad de la historia una vez que comienza el movimiento. La fricción misma desempeña un papel secundario pero crítico. A medida que una cuchilla se mueve a alta velocidad, la energía perdida por fricción se disipa como calor, lo que derrite una capa mucho más gruesa de agua verdaderamente líquida. Esta es la razón por la cual un jugador de hockey puede acelerar: cuanto más rápido se mueve, más energía térmica inyecta en la interfaz, engrosando la película lubricante.

Lo que aún no sabemos

Todavía carecemos de un mapa cuantitativo completo de cómo se comporta la capa quasi-líquida bajo velocidades extremas. La mayoría de las mediciones de laboratorio se toman en el límite estático—midiendo la capa mientras está en reposo. La transición entre la película premelting estática y la capa dinámica, derritida por fricción, sigue siendo un límite difícil de modelar en tiempo real.

No sabemos la temperatura exacta a la cual surface melting cesa por completo. Los modelos teóricos sugieren que alguna forma de desorden persiste hasta -100 °C, pero a esas profundidades de frío, la capa se vuelve tan delgada y viscosa que sus propiedades lubricantes podrían desaparecer, convirtiendo el hielo en un material de alta fricción.

Y está la cuestión de las impurezas. El hielo natural rara vez es agua pura; es una matriz de sales disueltas y gases atrapados. Aún no entendemos completamente cómo estos huéspedes químicos se desplazan a la superficie para modificar el grosor o la viscosidad de la piel resbaladiza. La física de la pista de hielo es, fundamentalmente, el estudio de un material que está permanentemente intentando desintegrarse.

Au milieu du XIXe siècle, Michael Faraday pressa deux blocs de glace l'un contre l'autre et les vit se fondre en un seul solide. Cette simple observation de la régélaction défia l'hypothèse que la glace est un solide sec, révélant une peau cachée, liquide comme, qui rend la surface intrinsèquement glissante.

En 1850, Michael Faraday se tenait devant l'Institution royale et exécutait un tour de prestidigitation avec deux cubes de glace. Il les pressa brièvement l'un contre l'autre, puis les laissa aller ; les blocs s'étaient fondus en une seule pièce. Il appelait ce phénomène regelation. C'était un résultat étrange pour un matériau censé être un solide stable à son point de congélation, suggérant que l'interface entre la glace et l'air n'était pas une limite rigide, mais quelque chose de plus mou et de plus mobile.

La majeure partie du vingtième siècle, les manuels scolaires fournissaient une explication simple et mécaniste de la raison pour laquelle nous pouvons glisser sur un étang gelé : la fusion par pression. La théorie, formulée pour la première fois par James Thomson en 1849, affirmait que le poids d'un patineur concentré sur une lame étroite exerçait suffisamment de pression pour abaisser le point de fusion de la glace, créant ainsi une mince pellicule d'eau servant de lubrifiant. C'est une explication séduisante, car elle s'appuie sur l'anomalie de la densité de l'eau — le fait que la glace occupe un volume plus grand que sa forme liquide.

Cependant, les mathématiques de la fusion par pression sont réputées peu coopératives. Pour abaisser le point de fusion de la glace d'à peine un degré Celsius, il faut appliquer environ 13,5 mégapascals de pression. Un patineur typique, même équilibré sur une seule lame, génère à peine assez de pression pour faire fondre la glace à -0,1 °C. Si la pression était le seul facteur, patiner dans une patinoire intérieure refroidie à -5 °C serait aussi impossible que glisser sur du granit sec.

La peau désordonnée

La vraie source de la glissance réside dans un phénomène appelé premelting. Même à des températures quarante degrés en dessous de zéro, la surface d'un cristal de glace n'est pas tout à fait solide. Car les molécules d'eau de la couche la plus externe n'ont pas de voisins d'un côté, elles ne peuvent pas former le réseau hexagonal rigide qui définit le volume de la glace. Elles vibrent et tournent dans un état de transition chaotique.

Cette quasi-liquid layer n'est pas de l'eau liquide au sens d'une flaque ; c'est un film désordonné, semi-cristallin, d'à peine quelques molécules d'épaisseur. Elle agit comme une couche de billes microscopiques, permettant à tout objet — une lame de patin, une pierre ou un pneu — de glisser avec une résistance remarquablement faible. Dans les années 1990, les physiciens ont commencé à utiliser la atomic force microscopy pour explorer directement cette couche. Ils ont découvert que lorsque la température s'approche de zéro, l'épaisseur de cette peau mobile croît exponentiellement, passant d'un simple nanomètre à -35 °C à près de 40 nanomètres juste en dessous du point de fusion.

Bien que la préfusion fournisse la lubrification initiale, ce n'est pas toute l'histoire une fois que le mouvement commence. Le frottement lui-même joue un rôle secondaire mais crucial. Lorsqu'une lame de patin se déplace à grande vitesse, l'énergie perdue au frottement est dissipée sous forme de chaleur, ce qui fait fondre une couche bien plus épaisse d'eau véritablement liquide. C'est pourquoi un joueur de hockey peut accélérer : plus il se déplace vite, plus il injecte d'énergie thermique à l'interface, épaississant ainsi la couche lubrifiante.

Ce que nous ne savons toujours pas

Nous manquons encore d'une carte quantitative complète de la manière dont la couche quasi-liquide se comporte à des vitesses extrêmes. La plupart des mesures en laboratoire sont prises à la limite statique — en mesurant la couche lorsqu'elle est au repos. La transition entre la couche statique pré-fondue et la couche dynamique fondue par frottement reste une frontière difficile à modéliser en temps réel.

Nous ne savons pas exactement à quelle température la surface melting cesse complètement. Les modèles théoriques suggèrent qu'une forme d'ordre persiste jusqu'à -100 °C, mais à ces températures extrêmes, la couche devient si mince et visqueuse que ses propriétés lubrifiantes pourraient disparaître, transformant la glace en un matériau à haute friction.

Et puis il y a la question des impuretés. La glace naturelle est rarement de l'eau pure ; c'est une matrice de sels dissous et de gaz piégés. Nous ne comprenons pas encore pleinement la manière dont ces « hôtes chimiques » migrent vers la surface pour modifier l'épaisseur ou la viscosité de cette peau glissante. La physique de la patinoire est, fondamentalement, l'étude d'un matériau qui tente constamment de se désintégrer.

Di pertengahan abad ke-19, Michael Faraday menekan dua balok es bersamaan dan menyaksikan keduanya bergabung menjadi satu padatan. Pengamatan sederhana ini tentang regelasi menantang asumsi bahwa es adalah padatan kering, mengungkap lapisan tersembunyi yang menyerupai cairan yang membuat permukaannya secara alami licin.

Pada tahun 1850, Michael Faraday berdiri di depan Lembaga Kerajaan dan menampilkan sebuah trik dengan dua kubus es. Ia menekan keduanya selama sesaat lalu melepaskan tekanan; blok-blok tersebut telah bergabung menjadi satu bagian. Ia menyebut fenomena ini sebagai regelation. Ini adalah hasil yang menarik untuk bahan yang seharusnya merupakan padatan stabil pada titik beku, menunjukkan bahwa antarmuka antara es dan udara bukanlah batas yang keras, tetapi sesuatu yang lebih lembut dan lebih mudah bergerak.

Sebagian besar abad ke-20, buku pelajaran memberikan penjelasan yang rapi dan mekanis tentang mengapa kita bisa meluncur di atas danau yang beku: peleburan akibat tekanan. Teori ini, yang pertama kali diungkapkan oleh James Thomson pada tahun 1849, menyatakan bahwa berat seorang pemanjat yang terkonsentrasi pada bilah yang tipis menimbulkan tekanan cukup besar untuk menurunkan titik leleh es, menciptakan lapisan air tipis sebagai pelumas. Ini adalah cerita yang meyakinkan karena bergantung pada anomali kepadatan air—fakta bahwa es menempati volume yang lebih besar daripada bentuk cairnya.

Namun, matematika peleburan akibat tekanan terkenal tidak kooperatif. Untuk menurunkan titik leleh es hanya sebesar satu derajat Celsius, seseorang harus menerapkan tekanan sekitar 13,5 megapaskal. Seorang atlet es biasa, bahkan ketika seimbang di atas satu bilah, hanya menghasilkan tekanan yang cukup untuk melelehkan es pada -0,1 °C. Jika tekanan adalah satu-satunya faktor, maka bermain es di ruang bawah tanah yang dikondisikan pada -5 °C akan seimposibel meluncur di atas batu granit kering.

Kulit yang Tidak Teratur

Sumber sebenarnya dari sifat licin es terletak pada fenomena yang dikenal sebagai premelting. Bahkan pada suhu empat puluh derajat di bawah nol, permukaan kristal es tidak sepenuhnya padat. Karena molekul air di lapisan terluar kekurangan tetangga di satu sisi, mereka tidak dapat membentuk kisi heksagonal yang lengkap dan kaku yang menandai bagian utama es. Alih-alih, mereka bergetar dan berguling dalam keadaan transisi yang kacau.

Lapisan quasi-liquid layer ini bukanlah air cair dalam arti kolam; ini adalah film semi-kristal yang tidak teratur dengan ketebalan hanya beberapa molekul. Ini bertindak seperti lapisan peluru mikroskopis, memungkinkan benda apa pun—sepatu es, batu, atau ban—meluncur dengan hambatan yang sangat kecil. Pada tahun 1990-an, para fisikawan mulai menggunakan atomic force microscopy untuk menyelidiki lapisan ini secara langsung. Mereka menemukan bahwa ketika suhu naik mendekati nol, ketebalan kulit yang bergerak ini meningkat secara eksponensial, dari hanya satu nanometer pada -35 °C hingga hampir 40 nanometer tepat di bawah titik leleh.

Meskipun premelting menyediakan pelumasan awal, ini bukanlah seluruh cerita setelah gerakan dimulai. Gesekan itu sendiri memainkan peran sekunder tetapi kritis. Saat sepatu es bergerak dengan kecepatan tinggi, energi yang hilang akibat gesekan dilepaskan sebagai panas, yang melelehkan lapisan air cair yang jauh lebih tebal. Ini adalah alasan mengapa pemain hoki bisa mempercepat: semakin cepat mereka bergerak, semakin banyak energi termal yang mereka masukkan ke dalam antarmuka, memperketebal pelapis pelumas.

Apa yang Masih Kita Tidak Tahu

Kita masih kekurangan peta kuantitatif lengkap tentang bagaimana lapisan quasi-liquid berperilaku di bawah kecepatan ekstrem. Sebagian besar pengukuran laboratorium dilakukan pada batas statis—mengukur lapisan saat dalam keadaan diam. Transisi antara lapisan premelted statis dan lapisan dinamis yang dilelehkan gesekan tetap menjadi batas yang sulit dimodelkan secara real-time.

Kita tidak tahu suhu pasti di mana surface melting sepenuhnya berhenti. Model teoritis menunjukkan bahwa bentuk tertentu dari ketidakteraturan tetap ada hingga -100 °C, tetapi pada kedalaman dingin itu, lapisan menjadi begitu tipis dan kental sehingga sifat pelumasannya mungkin menghilang, mengubah es menjadi bahan dengan gesekan tinggi.

Dan ada pertanyaan tentang kotoran. Es alami jarang murni air; itu adalah matriks garam terlarut dan gas yang terperangkap. Kita belum sepenuhnya memahami bagaimana tamu kimia ini bergerak ke permukaan untuk memodifikasi ketebalan atau viskositas kulit licin tersebut. Fisika lapangan es, pada dasarnya, adalah studi tentang bahan yang selalu berusaha runtuh.

Im Mittel des 19. Jahrhunderts presste Michael Faraday zwei Eisscheiben zusammen und beobachtete, wie sie sich zu einem einzigen Festkörper vereinigten. Diese einfache Beobachtung der Regelation stellte die Annahme in Frage, Eis sei ein trockener Festkörper, und enthüllte eine versteckte, flüssigkeitsartige Haut, die die Oberfläche inhärent rutschig macht.

1850 stand Michael Faraday vor der Royal Institution und vollführte einen Trick mit zwei Eiskristallen. Er drückte sie für einen Moment zusammen und ließ sie dann wieder los; die Blöcke waren zu einem Stück verschmolzen. Dieses Phänomen nannte er regelation. Es war ein seltsames Ergebnis für ein Material, das angeblich bei seinem Gefrierpunkt stabil und fest war, und deutete darauf hin, dass die Grenzfläche zwischen Eis und Luft keine harte Grenze war, sondern etwas Weicheres und Beweglicheres.

Fast das gesamte zwanzigste Jahrhundert hindurch boten Lehrbücher eine klare, mechanische Erklärung dafür, warum wir über ein zugefrorenes See glitt: Druckauftauung. Die Theorie, erstmals 1849 von James Thomson formuliert, besagte, dass das Gewicht eines Schlittschuhläufers, konzentriert auf eine schmale Kante, genug Druck ausübt, um den Schmelzpunkt des Eises zu senken und eine dünne Wasserfilm für Schmierung zu erzeugen. Es ist eine überzeugende Erklärung, weil sie sich auf die anomale Dichte des Wassers stützt – auf die Tatsache, dass Eis mehr Volumen einnimmt als seine flüssige Form.

Doch die Mathematik der Druckauftauung ist berühmt dafür, unkooperativ zu sein. Um den Schmelzpunkt des Eises um nur ein Grad Celsius zu senken, muss man etwa 13,5 Megapascal Druck ausüben. Ein typischer Eiskunstläufer, selbst ausgewogen auf einer einzigen Kante, erzeugt nur genug Druck, um Eis bei -0,1 °C zu schmelzen. Wenn Druck der einzige Faktor wäre, wäre Schlittschuhlaufen in einer Halle, die auf -5 °C gekühlt ist, genauso unmöglich wie über trockenen Granit gleiten.

Die ungeordnete Schicht

Die wahre Ursache der Rutschigkeit liegt in einem Phänomen, das premelting genannt wird. Selbst bei Temperaturen, die vierzig Grad unter Null liegen, ist die Oberfläche eines Eiskristalls nicht ganz fest. Da die Wassermoleküle in der äußersten Schicht auf einer Seite keine Nachbarn haben, können sie nicht die vollständige, starre hexagonale Gitterstruktur bilden, die den Kern des Eises ausmacht. Stattdessen vibrieren und drehen sie sich in einem chaotischen Übergangszustand.

Diese quasi-liquid layer ist nicht im Sinne eines Wasserpfützchens flüssiges Wasser; es ist eine ungeordnete, halb-kristalline Schicht, nur ein paar Moleküle dick. Sie wirkt wie eine Schicht mikroskopischer Kugellager, die es jedem Objekt – einem Schlittschuh, einem Stein oder einem Reifen – ermöglichen, mit erstaunlich geringem Widerstand zu gleiten. In den 1990er Jahren begannen Physiker, atomic force microscopy einzusetzen, um diese Schicht direkt zu untersuchen. Sie stellten fest, dass sich die Dicke dieser beweglichen Schicht exponentiell vergrößert, wenn die Temperatur auf null zusteuert, von nur einem Nanometer bei -35 °C bis fast 40 Nanometern kurz unter dem Schmelzpunkt.

Obwohl das Premelting die anfängliche Schmierung bereitstellt, ist es nicht die ganze Geschichte, sobald sich die Bewegung einstellt. Der Reibungseffekt spielt eine sekundäre, aber entscheidende Rolle. Wenn ein Schlittschuh mit hoher Geschwindigkeit gleitet, wird die Energie, die durch Reibung verloren geht, als Wärme abgegeben, was eine viel dickere, wirklich flüssige Wasserfilm schmilzt. Das ist der Grund dafür, dass ein Eishockeyspieler beschleunigen kann: Je schneller sie sich bewegen, desto mehr thermische Energie injizieren sie in die Grenzfläche und verdicken den Schmierfilm.

Was wir immer noch nicht wissen

Wir verfügen immer noch nicht über eine vollständige quantitative Karte dafür, wie sich die quasi-flüssige Schicht unter extremen Geschwindigkeiten verhält. Die meisten Laborversuche werden im statischen Zustand durchgeführt – sie messen die Schicht, während sie in Ruhe ist. Der Übergang zwischen der statischen, premelten Schicht und der dynamischen, durch Reibung geschmolzenen Schicht bleibt eine schwierige Grenze, um in Echtzeit modelliert zu werden.

Wir kennen nicht die exakte Temperatur, bei der surface melting vollständig aufhört. Theoretische Modelle deuten darauf hin, dass eine Form der Unordnung bis zu -100 °C anhält, doch bei solch extremer Kälte wird die Schicht so dünn und zäh, dass ihre Schmierwirkung verschwinden könnte, und das Eis zu einem Hochreibungsmaterial wird.

Und dann gibt es noch die Frage der Verunreinigungen. Natürlicher Eis ist selten reines Wasser; es ist ein Geflecht aus gelösten Salzen und eingeschlossenen Gasen. Wir verstehen noch nicht vollständig, wie diese chemischen Gäste an die Oberfläche wandern, um die Dicke oder die Viskosität der rutschigen Schicht zu verändern. Die Physik des Eissportplatzes ist letztendlich eine Studie über ein Material, das ständig versucht, auseinanderzufallen.

В середине XIX века Майкл Фарадей соединил вместе два куска льда и наблюдал, как они сливались в единое целое. Эта простая демонстрация регеляции опровергла распространённое мнение о том, что лёд – это сухой твёрдый материал, открыв путь к пониманию скрытой, подобной жидкости, кожи, которая делает поверхность льда по своей природе скользкой.

В 1850 году Michael Faraday выступил перед Королевским институтом и продемонстрировал трюк с двумя кубиками льда. Он на мгновение прижал их друг к другу, а затем отпустил; куски соединились в одно целое. Он назвал это явление regelation. Это было любопытным результатом для материала, который предполагалось быть стабильным твёрдым телом при температуре замерзания, что указывало на то, что граница между льдом и воздухом не является жёсткой, а представляет собой что-то более мягкое и подвижное.

В течение большей части двадцатого века учебники предлагали аккуратное механическое объяснение того, почему мы можем скользить по замёрзшему пруду: плавление под давлением. Эта теория, впервые сформулированная James Thomson в 1849 году, утверждала, что вес фигуриста, сосредоточенный на тонком лезвии, оказывает достаточно давления, чтобы понизить температуру плавления льда, создавая тонкий слой воды для смазки. Это объяснение кажется убедительным, поскольку опирается на аномальную плотность воды — на тот факт, что лёд занимает больший объём, чем её жидкая форма.

Однако математика плавления под давлением знаменита своей неподатливостью. Чтобы понизить температуру плавления льда всего на один градус Цельсия, необходимо приложить около 13,5 мегапаскалей давления. Типичный фигурист, даже удерживаясь на одном лезвии, создаёт лишь достаточное давление, чтобы растопить лёд при -0,1 °C. Если бы давление было единственным фактором, катание на льду в помещении, охлаждённом до -5 °C, было бы невозможно, как скольжение по сухому граниту.

Неразбериха на поверхности

Источник скользкости льда кроется в явлении, известном как premelting. Даже при температуре на сорок градусов ниже нуля поверхность кристалла льда не является полностью твёрдой. Поскольку молекулы воды в самом внешнем слое не имеют соседей с одной стороны, они не могут образовать полную, жёсткую гексагональную решётку, характерную для основной массы льда. Вместо этого они колеблются и вращаются в состоянии хаотического перехода.

Этот quasi-liquid layer не является жидкой водой в привычном смысле — это не лужа; это неупорядоченная, полукристаллическая плёнка толщиной всего несколько молекул. Она действует как покрытие из микроскопических шарикоподшипников, позволяя любому объекту — коньку, камню или шине — скользить с удивительно малым сопротивлением. В 90-х годах физики начали использовать atomic force microscopy для прямого изучения этого слоя. Они обнаружили, что по мере повышения температуры к нулю толщина этой подвижной «кожи» экспоненциально увеличивается, от одного нанометра при -35 °C до почти 40 нанометров, чуть ниже точки плавления.

Хотя начальную смазку обеспечивает само плавление, это не вся картина, как только начинается движение. Трение само по себе играет второстепенную, но важную роль. При высокой скорости движения конька энергия, теряемая из-за трения, рассеивается в виде тепла, которое плавит гораздо более толстый, действительно жидкий слой воды. Именно поэтому хоккеист может ускоряться: чем быстрее он движется, тем больше тепловой энергии он вводит в зону контакта, увеличивая толщину смазывающего слоя.

То, чего мы всё ещё не знаем

У нас всё ещё нет полной количественной карты поведения квазижидкого слоя при экстремальных скоростях. Большинство лабораторных измерений проводятся в статическом режиме — измеряют слой, находящийся в покое. Переход между статическим плавленым слоем и динамическим, плавленым под действием трения, остаётся трудноразрешимой границей для моделирования в реальном времени.

Мы не знаем точной температуры, при которой surface melting полностью прекращается. Теоретические модели предполагают, что какая-то форма беспорядка сохраняется до -100 °C, но при таких экстремальных холодах слой становится настолько тонким и вязким, что его смазывающие свойства могут исчезнуть, превращая лёд в материал с высоким трением.

И остаётся вопрос загрязнений. Естественный лёд редко бывает чистой водой; это матрица растворённых солей и захваченных газов. Мы ещё не до конца понимаем, как эти химические «гости» мигрируют на поверхность, чтобы изменять толщину или вязкость скользкой «кожи». Физика ледовой арены, в сущности, — это изучение материала, который постоянно пытается распасться.

19세기 중반, 마이클 패러데이는 두 조각의 얼음을 서로 눌러붙이더니 그것들이 하나의 고체로 합쳐지는 모습을 지켜보았다. 이 간단한 관찰은 얼음이 마른 고체라는 관념을 도전했으며, 표면이 본질적으로 미끄러운 이유를 설명하는 숨겨진 액체 같은 피부층을 드러냈다.

1850년, Michael Faraday은 왕립학회에서 두 개의 얼음 큐브로 마술을 선보였다. 그는 잠시 동안 두 큐브를 서로 눌러붙이고는 손을 떼었다. 그러자 두 덩어리는 하나로 합쳐져 있었다. 그는 이 현상을 regelation이라고 불렀다. 얼음이 동결점에서 안정적인 고체일 것이라고 여겨졌던 물질이었기에, 이는 흥미로운 결과였다. 이는 얼음과 공기 사이의 경계가 단단한 경계가 아니라 더 부드럽고 유동적인 무언가임을 시사했다.

20세기 대부분의 교과서는 우리는 왜 언 호수 위를 미끄러질 수 있는지에 대한 체계적이고 기계적인 설명을 제시했다. 바로 압력 융해였다. 이 이론은 1849년에 James Thomson가 처음 제시했는데, 이는 스케이터의 무게가 날카로운 날에 집중되어 얼음의 융점이 낮아지도록 충분한 압력을 가해 윤활용 물막을 만든다고 주장했다. 물의 비정상적인 밀도, 즉 얼음이 액체 형태보다 더 큰 부피를 차지한다는 사실에 기반을 두고 있기 때문에 이 이야기는 설득력이 있다.

그러나 압력 융해의 수학은 유명한 방식으로 협조적이지 않다. 얼음의 융점을 단지 섭씨 1도 낮추려면 약 13.5메가파스칼의 압력을 가해야 한다. 일반적인 피겨 스케이터라도, 단일 날에 균형을 잡고 있다 하더라도, 얼음이 -0.1°C에서만 융해될 정도의 압력만을 만들어낸다. 압력이 유일한 요소라면, -5°C의 실내 아이스링크에서 스케이팅은 마른 화강암 위를 미끄러지려는 것만큼 불가능할 것이다.

무질서한 표면

이 미끄러움의 진짜 원천은 premelting이라는 현상에 있다. 섭씨 영하 40도가 넘는 온도에서도 얼음 결정의 표면은 완전히 고체가 아니며, 외부층에 있는 물 분자들이 한쪽 방향에 이웃이 없기 때문에 얼음의 대부분을 구성하는 완전하고 강한 육각 격자를 형성할 수 없다. 대신, 이들은 무질서한 전이 상태에서 진동하고 굴러다닌다.

이 quasi-liquid layer는 웅덩이 형태의 액체 물이 아니다. 이는 몇 분자만의 두께를 가진 비정질 반결정성 필름이다. 이는 마이크로 크기의 볼 베어링과 같은 역할을 하여 스케이트, 돌, 타이어 같은 어떤 물체든 놀랄만큼 작은 저항으로 미끄러지게 한다. 1990년대에 물리학자들은 이 계층을 직접 탐색하기 위해 atomic force microscopy을 사용하기 시작했다. 그들은 온도가 영점에 가까워질수록 이 움직일 수 있는 표면의 두께가 지수적으로 증가한다는 것을 발견했는데, -35°C에서는 단지 나노미터 수준이었고, 융점 바로 아래에서는 거의 40나노미터에 이르렀다.

이러한 미리 융해는 초기 윤활을 제공하지만, 운동이 시작된 이후에는 전체 이야기가 되지는 않는다. 마찰 자체가 부차적이지만 중요한 역할을 한다. 스케이트가 고속으로 움직일 때, 마찰로 손실된 에너지는 열로 방출되어 훨씬 두꺼운, 진짜 액체 물층을 융해시킨다. 이것이 바로 하키 선수가 가속할 수 있는 이유이다. 움직일수록 더 많은 열 에너지를 계면에 주입함으로써 윤활층을 두껍게 만들기 때문이다.

여전히 알 수 없는 것들

우리는 극한의 속도에서 이 준액체층이 어떻게 행동하는지에 대한 완전한 수치적 지도를 아직 갖지 못하고 있다. 대부분의 실험실 측정은 정지 상태에서 이루어지며, 정지 상태의 미리 융해층과 동적 마찰 융해층 사이의 전이는 실시간으로 모델링하기 어려운 경계이다.

우리는 surface melting이 완전히 사라지는 정확한 온도를 아직 모른다. 이론적 모델들은 -100°C까지도 어떤 형태의 무질서가 지속될 수 있다고 제안하지만, 그 정도로 추운 온도에서는 이 계층이 너무 얇고 점성이 높아 윤활 특성이 사라져 얼음이 고마찰 물질이 될 수 있다.

그리고 불순물에 대한 문제가 있다. 자연 상태의 얼음은 거의 순수한 물이 아니다. 이는 용해된 염과 포집된 기체로 구성된 매트릭스이다. 우리는 이러한 화학적 손님이 표면으로 이동해 미끄러운 피부층의 두께나 점성을 어떻게 변화시키는지 아직 완전히 이해하지 못하고 있다. 아이스링크의 물리학은 근본적으로 끊임없이 붕괴하려는 물질을 연구하는 것이다.

19世纪中叶，迈克尔·法拉第将两块冰块压在一起，看着它们融合成一个整体。这一简单的观察揭示了冰的再结现象，挑战了人们认为冰是干燥固体的假设，展现出其表面隐藏着类似液体的外层，使冰面天生具有滑腻的特性。

1850年，Michael Faraday站在皇家研究院面前，用两块冰块表演了一个把戏。他将它们按压片刻，然后松开；两块冰已经融合成了一体。他将这一现象称作regelation。对于一种在冰点时本应是稳定固体的物质而言，这结果颇为奇特，表明冰与空气之间的界面并非坚硬的边界，而是某种更柔软、更具流动性的存在。

20世纪的大部分时间里，教科书都提供了一个简洁、机械的解释，说明我们为何能在结冰的池塘上滑行：压力融化。这一理论最早由James Thomson在1849年提出，认为滑冰者体重集中在薄刃上所施加的压力足以降低冰的熔点，从而形成一层润滑的水膜。这个解释之所以令人信服，是因为它依赖于水的反常密度——冰的体积比其液态形式更大。

然而，压力融化的数学计算却以著名的不配合著称。要使冰的熔点仅仅降低1摄氏度，就必须施加大约13.5兆帕的压力。即使是站在单个冰刃上的普通花样滑冰者，所施加的压力也只足以在-0.1°C时融化冰。如果压力是唯一因素，那么在-5°C的室内冰场滑冰将和在干燥的花岗岩上滑行一样不可能。

无序的表皮

真正导致冰滑的原因，是一种被称为premelting的现象。即使在零下四十度的温度下，冰晶的表面也不是完全的固体。因为最外层的水分子一侧缺少邻居，它们无法形成完整的、刚性的六边形晶格，这是冰体的特征。相反，它们在一种混乱的过渡状态中振动和翻滚。

这种quasi-liquid layer并不是像水洼一样的液态水；它是一种无序的、半结晶的薄膜，只有几分子厚。它像一层微观的滚珠轴承，使得任何物体——滑冰鞋、石头或轮胎——都能以极小的阻力滑动。20世纪90年代，物理学家开始使用atomic force microscopy直接探测这一层。他们发现，随着温度向零度上升，这一可移动表皮的厚度呈指数增长，从-35°C时的仅仅一纳米增长到接近熔点时的近40纳米。

虽然预融化提供了最初的润滑，但一旦开始运动，它并不是全部的故事。摩擦本身也起着次要但关键的作用。当滑冰鞋以高速移动时，因摩擦而损失的能量会以热量的形式释放，从而融化出更厚的、真正的液态水层。这就是为什么冰球运动员可以加速：他们滑得越快，注入界面的热能就越多，润滑膜就越厚。

我们仍不了解的

我们仍然缺乏对准液态层在极端速度下如何行为的完整定量图谱。大多数实验室测量都是在静态极限下进行的——测量的是静止时的这一层。静态预融化膜与动态摩擦融化层之间的过渡，仍然是一个难以在实时中建模的边界。

我们不知道surface melting完全消失的确切温度。理论模型表明，某种形式的无序状态会持续到-100°C，但在如此寒冷的深度，这一层变得如此之薄且粘稠，以至于其润滑性能可能消失，使冰变成一种高摩擦材料。

还有杂质的问题。天然冰很少是纯水；它是一个溶解盐和被困气体的基质。我们尚未完全理解这些化学成分如何迁移到表面，从而改变滑腻表皮的厚度或粘度。从根本上说，冰场的物理学是对一种不断试图解体的材料的研究。

في منتصف القرن التاسع عشر، ضغط مايكل فاراداي على كتلتين من الثلج وراقب اندماجهما في جسم واحد. كانت هذه الملاحظة البسيطة لظاهرة الانصهار تحت الضغط تتحدى الافتراض القائم على أن الثلج جسم جاف، مُظهراً طبقةً خفيةً تشبه السائل تجعل السطح مهيجاً بطبيعته.

في سنة 1850، وقف Michael Faraday أمام مؤسسة الملكية وعرض حيلة باستخدام مكعبين من الثلج. ضغط عليهما لفترة قصيرة ثم أطلقهما؛ حيث اندمجت الكتلتان في قطعة واحدة. سماه هذا الظاهرة regelation. كان هذا نتيجة غريبة لمواد من المفترض أن تكون صلبة مستقرة عند نقطة تجمدها، مما يشير إلى أن الواجهة بين الثلج والهواء ليست حدًا صلبًا، بل شيئًا أكثر نعومة وحركة.

خلال معظم القرن العشرين، قدمت الكتب المدرسية تفسيرًا ميكانيكيًا بسيطًا لسبب قدرتنا على التزلج على البحيرة المتجمدة: الذوبان الناتج عن الضغط. افترضت النظرية، التي طرحها James Thomson في سنة 1849، أن وزن التزلج المركّز على سكين حادة يمارس ضغطًا كافيًا لخفض نقطة ذوبان الثلج، مما ينتج عنه طبقة رقيقة من الماء كعامل تزييت. إنها قصة مقنعة لأنها تعتمد على الكثافة غير العادية للماء—حقيقة أن الثلج يشغل حجمًا أكبر من شكله السائل.

ومع ذلك، فإن حسابات الذوبان الناتج عن الضغط معروفة بعدم تعاونها الشهير. لخفض نقطة ذوبان الثلج بدرجة مئوية واحدة، يجب تطبيق ضغط يبلغ حوالي 13.5 ميغا باسكال. يولد متزلج عادي، حتى لو كان متوازنًا على سكين واحدة، ضغطًا كافيًا لذوبان الثلج فقط عند -0.1 °م. لو كان الضغط العامل الوحيد، فإن التزلج في حلبة داخلية مبردة إلى -5 °م سيكون مستحيلًا مثل التزلج على الجرانيت الجاف.

الجلد غير المرتبط

السبب الحقيقي للانزلاق يكمن في ظاهرة تُعرف باسم premelting. حتى عند درجات حرارة تصل إلى 40 درجة تحت الصفر، فإن سطح بلورة الثلج ليس مكتملًا تمامًا. لأن جزيئات الماء في الطبقة الخارجية تفتقر إلى الجيران على جانب واحد، فلا يمكنها تشكيل الشبكة السداسية المكتملة والصلبة التي تحدد جوهر الثلج. بدلًا من ذلك، تهتز وتتقلب في حالة انتقال خرقي.

هذا quasi-liquid layer ليس ماء سائلًا بالمعنى الحرفي لحوض ماء؛ إنه طبقة رقيقة جدًا من الفيلم غير المرتبط وشبه البلوري، تتكون من بضعة جزيئات. تعمل كطبقة من الدوائر الدقيقة، مما يسمح لأي كائن—سكين تزلج أو حجر أو إطار—بالانزلاق بمقاومة قليلة بشكل مذهل. في التسعينيات، بدأ الفيزيائيون باستخدام atomic force microscopy لفحص هذه الطبقة مباشرة. وجدوا أن درجة الحرارة ترتفع نحو الصفر، يزيد سمك هذه الطبقة الجلدية المتحركة بشكل أسي، من نانومتر واحد فقط عند -35 °م إلى ما يقارب 40 نانومترًا تحت نقطة الذوبان مباشرة.

بينما توفر الظاهرة ما قبل الذوبان التشحيم الأولي، إلا أنها ليست القصة الكاملة بمجرد بدء الحركة. تلعب الاحتكاك دورًا ثانويًا لكنه مهم. عندما تتحرك سكين التزلج بسرعة عالية، تُفقد الطاقة إلى الاحتكاك كحرارة، مما يذوب طبقة أسمك بكثير من الماء السائل الحقيقي. هذه هي السبب في أن لاعب الهوكي يمكنه التسارع: كلما زادت سرعتهم، زادت الطاقة الحرارية التي يحقنونها إلى الواجهة، مما يزيد سمك طبقة التشحيم.

ما لا نزال لا نعرفه

ما زلنا نفتقر إلى خريطة كمية كاملة لكيفية تصرف الطبقة شبه السائلة تحت السرعات القصوى. تُجرى معظم القياسات المخبرية في الحد الثابت—قياس الطبقة أثناء راحتها. الانتقال بين الطبقة المذابة مسبقًا الثابتة والطبقة الديناميكية المذابة بالاحتكاك ما زال حدًا صعبًا نموذجيًا في الوقت الفعلي.

لا نعرف درجة الحرارة الدقيقة التي تتوقف عندها surface melting تمامًا. تشير النماذج النظرية إلى أن بعض أشكال الفوضى تستمر حتى -100 °م، لكن في تلك العمق من البرودة، تصبح الطبقة رقيقة و-viscous إلى حد أن خصائصها التشحيمية قد تختفي، مما يتحول الثلج إلى مادة ذات احتكاك مرتفع.

وهناك سؤال حول الشوائب. نادرًا ما يكون الثلج الطبيعي هو ماء نقي؛ إنه مصفوف من الأملاح المذابة والغازات المُحتجزة. لا نفهم بعد كيف تنتقل هذه الضيوف الكيميائية إلى السطح لتغيير سمكها أو لزوجة الجلد الزلق. إن فيزياء حلبة الثلج هي، في جوهرها، دراسة لمواد تسعى باستمرار إلى الانهيار.

19वीं शताब्दी के मध्य में, माइकल फैराडे ने दो बर्फ के टुकड़ों को एक साथ दबाया और देखा कि वे एक ठोस गोलक में जुड़ जाते हैं। बर्फ के जमे हुए रूप के खिलाफ इस सरल प्रेक्षण ने एक गुप्त, तरल-सा आवरण का खुलासा किया, जो सतह को आनुपूर्विक रूप से फिसलनीय बनाता है।

1850 में, Michael Faraday रॉयल इंस्टीट्यूशन के सामने खड़े हुए और बर्फ के दो घनों के साथ एक जादू कर दिखाया। उन्होंने उन्हें कुछ क्षणों के लिए एक साथ दबाया और फिर छोड़ दिया; ब्लॉक एक एकल टुकड़े में जुड़ गए। उन्होंने इस घटना को regelation कहा। यह एक अजीब परिणाम था जो एक ऐसे पदार्थ के लिए था जिसे अपने हिमांक बिंदु पर एक स्थिर ठोस होना चाहिए था, जो बर्फ और हवा के बीच के अंतरफलक को एक कठोर सीमा नहीं बल्कि कुछ नरम और गतिशील होने का सुझाव देता था।

बीसवीं शताब्दी के अधिकांश समय में, पाठ्यपुस्तकें बर्फ पर फिसलने के कारण के लिए एक स्पष्ट, यांत्रिक स्पष्टीकरण प्रदान करती रहीं: दबाव द्वारा पिघलना। यह सिद्धांत, जिसे पहले James Thomson द्वारा 1849 में व्यक्त किया गया था, तर्क देता है कि बर्फ के ऊपर एक पतली छील पर एक बर्फीले धावक के भार का दबाव पर्याप्त दबाव उत्पन्न करता है जो बर्फ के पिघलने के बिंदु को कम कर देता है, जिससे लुब्रिकेशन के लिए पानी की एक पतली फिल्म बन जाती है। यह एक आकर्षक कहानी है क्योंकि यह पानी के असामान्य घनत्व पर निर्भर करता है- यह तथ्य कि बर्फ अपने तरल रूप की तुलना में अधिक आयतन घेरती है।

हालांकि, दबाव द्वारा पिघलने का गणित प्रसिद्ध रूप से असहयोगी है। बर्फ के पिघलने के बिंदु को केवल एक डिग्री सेल्सियस कम करने के लिए, एक व्यक्ति को लगभग 13.5 मेगापास्कल का दबाव लगाना पड़ता है। एक आम आकृति बर्फीला धावक, यहां तक कि एकल छील पर संतुलित होने पर भी, केवल उतना दबाव उत्पन्न करता है जो 0.1 डिग्री सेल्सियस पर बर्फ को पिघला सकता है। यदि दबाव एकमात्र कारक होता, तो -5 डिग्री सेल्सियस पर एक घरेलू रिंक में बर्फ पर फिसलना शिला पर फिसलने के समान असंभव होता।

अव्यवस्थित त्वचा

लुब्रिकेशन का वास्तविक स्रोत premelting की घटना में छिपा हुआ है। यहां तक कि शून्य से चालीस डिग्री तापमान के नीचे, बर्फ के क्रिस्टल की सतह पूरी तरह ठोस नहीं होती है। क्योंकि सबसे बाहरी परत में पानी के अणुओं के पास एक ओर से पड़ोसी नहीं होते हैं, वे बर्फ के बुनियादी हिस्से को परिभाषित करने वाले पूर्ण, कठोर षट्कोणीय जाल का निर्माण नहीं कर सकते हैं। बजाय इसके, वे एक अव्यवस्थित संक्रमण की स्थिति में कंपन और घूमते रहते हैं।

यह quasi-liquid layer एक तालाब के रूप में तरल पानी नहीं है; यह केवल कुछ अणुओं की मोटाई की अव्यवस्थित, अर्द्ध-क्रिस्टलीय फिल्म है। यह एक सूक्ष्म बॉल बियरिंग की तरह कार्य करता है, जो किसी भी वस्तु-एक बर्फीला छील, एक पत्थर, या एक पहिए के लिए असाधारण रूप से कम प्रतिरोध के साथ फिसलने की अनुमति देता है। 1990 के दशक में, भौतिकविदों ने सीधे इस परत की जांच करने के लिए atomic force microscopy का उपयोग शुरू कर दिया। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे तापमान शून्य की ओर बढ़ता है, इस गतिशील त्वचा की मोटाई घातीय रूप से बढ़ जाती है, -35 डिग्री सेल्सियस पर एक नैनोमीटर से -0 डिग्री सेल्सियस से लगभग 40 नैनोमीटर तक।

जबकि प्रारंभिक लुब्रिकेशन के लिए प्रीमेल्टिंग प्रदान करता है, गति शुरू होने के बाद यह पूरी कहानी नहीं है। घर्षण स्वयं द्वितीयक लेकिन महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। जैसे-जैसे एक बर्फीला छील उच्च वेग पर चलता है, घर्षण के कारण खोई गई ऊर्जा ऊष्मा के रूप में खोई जाती है, जो बर्फ की एक बहुत मोटी, वास्तविक तरल परत को पिघला देती है। यही कारण है कि एक हॉकी खिलाड़ी त्वरित हो सकता है: जितना अधिक वे तेज चलते हैं, उतनी ही अधिक ऊष्मीय ऊर्जा वे अंतरफलक में डालते हैं, लुब्रिकेशन की परत को मोटा करते हैं।

जो हम अभी तक नहीं जानते

हम अभी भी अत्यधिक गति पर अर्द्ध-तरल परत के व्यवहार के पूर्ण मात्रात्मक मानचित्र के बारे में अज्ञात हैं। अधिकांश प्रयोगशाला माप शांतिपूर्ण सीमा पर लिए जाते हैं- जब यह परत विराम में होती है तो इसका मापन करते हैं। शांतिपूर्ण प्रीमेल्टेड फिल्म और गतिशील, घर्षण-पिघले परत के बीच के संक्रमण को वास्तविक समय में मॉडल करना एक कठिन सीमा बनी हुई है।

हमें उस ठीक तापमान के बारे में अभी तक नहीं पता है जिस पर surface melting पूरी तरह से बंद हो जाता है। सैद्धांतिक मॉडल इस बात की ओर संकेत करते हैं कि -100 डिग्री सेल्सियस तक कुछ रूप के अव्यवस्था का अस्तित्व बना रहता है, लेकिन उस तापमान के नीचे, परत इतनी पतली और श्यान हो जाती है कि इसके लुब्रिकेशन गुण खत्म हो सकते हैं, बर्फ को एक उच्च घर्षण वाली सामग्री में बदल देते हैं।

और अशुद्धियों के प्रश्न के बारे में भी है। प्राकृतिक बर्फ अक्सर शुद्ध पानी नहीं होती है; यह घुले हुए नमक और फंसे हुए गैसों का एक आधार होता है। हम अभी तक इस बात को पूरी तरह से समझ नहीं पाए हैं कि इन रासायनिक मेहमानों कैसे सतह तक पहुंचकर फिसलने वाली त्वचा की मोटाई या श्यान को संशोधित करते हैं। बर्फ के रिंक की भौतिकी, मूल रूप से, एक ऐसे पदार्थ के अध्ययन की ओर जाती है जो हमेशा टूटने की कोशिश करता है।

Why Ice Is Slippery