لایه «شبهمایع»، اسکیت روی یخ را ممکن میکند
در زمستان سرد سال ۱۱۷۳ میلادی، «ویلیام فیتزاستفن» (William FitzStephen)، از جوانان لندنی نوشت که برای سرگرمی روی یخ میرفتند و استخوانهای ساق گاو را به کف پاهای خود میبستند و به سرعت اسکیتسواری میکردند. این نخستین اسکیتهای تاریخ، اکنون در موزه لندن به نمایش گذاشته شدهاند. اما چرا یک تیغه باریک فلزی یا حتی یک استخوان حیوان، میتواند به راحتی روی سطح سخت و لغزنده یخ حرکت کند؟ پاسخ این پرسش، داستانی شگفتانگیز از فیزیک، شیمی، مهندسی سطح و حتی مکانیک کوانتومی است. اسکیت روی یخ که انقدر ساده به نظر میرسد، پشت این سادگی ظاهری، یکی از پیچیدهترین پدیدههای فیزیک سطح نهفته است.
اسکیتهای استخوانی در موزه لندن
ذوب فشاری و توضیح قدیمی که ناقص بود
در کتابهای درسی فیزیک برای بیش از یک قرن توضیح داده میشد که اسکیت روی یخ به دلیل «ذوب فشاری» امکانپذیر است. طبق این نظریه، تیغه باریک اسکیت فشار زیادی به یخ وارد میکند و این فشار نقطه ذوب یخ را پایین میآورد. در نتیجه، لایه نازکی از آب زیر تیغه ایجاد میشود و تیغه به عنوان روانکننده روی این لایه آب سر میخورد.
افزایش فشار، نقطه ذوب یخ را کاهش میدهد. این پدیده به دلیل کاهش حجم آب در مقایسه با یخ رخ میدهد. آب یکی از معدود مواد است که حالت جامد آن یعنی یخ؛ چگالی کمتری از حالت مایع دارد. به همین دلیل است که یخ روی آب شناور میماند.
محاسبات دقیق نشان دادند که فشار ناشی از اسکیت، حتی در سنگینترین افراد، فقط نقطه ذوب یخ را حدود ۰.۰۱ درجه سانتیگراد کاهش میدهد. این مقدار ناچیز، به ویژه در دماهای پایین زمستان که یخ میتواند منفی ۱۰ درجه یا سردتر باشد، نمیتواند لایه آب قابل توجهی ایجاد کند. اگر ذوب فشاری تنها مکانیسم بود، اسکیت در روزهای بسیار سرد غیرممکن میشد، در حالی که میدانیم اسکیتبازان حتی در دمای منفی ۲۰ درجه هم به راحتی روی یخ حرکت میکنند.
قهرمان اصلی داستان گرمایش اصطکاکی است
به گزارش سایت علمی «ساینس دایرکت» (Science Direct)؛ پژوهشگران بعدی دریافتند که بخش عمده ذوب یخ نه از فشار، که از گرمایش اصطکاکی ناشی میشود. وقتی تیغه روی یخ حرکت میکند، اصطکاک بین دو سطح، گرما تولید میکند. این گرما لایه نازکی از یخ را ذوب کرده و آب لازم برای لغزندگی را فراهم میآورد.
میزان گرمایش اصطکاکی به عوامل متعددی بستگی دارد: سرعت حرکت، وزن اسکیتباز، جنس تیغه، و دمای یخ. محاسبات نشان میدهند که در سرعتهای معمول اسکیت، گرمایش اصطکاکی میتواند دمای سطح یخ را تا چند درجه افزایش دهد. این افزایش دما برای ذوب لایهای نازک از یخ کافی است.
به همین دلیل است که تیغههای اسکیت کاملاً صیقلی و آینهای نیستند. سطح تیغه با دقت مهندسی میشود تا تعادلی میان لغزندگی و چسبندگی ایجاد کند. اگر تیغه بیش از حد صاف باشد، اصطکاک کافی برای تولید گرما وجود نخواهد داشت و در دماهای پایین، اسکیتباز به سختی حرکت میکند. اگر تیغه بیش از حد زبر باشد، اصطکاک زیاد شده و حرکت دشوار میشود. این تعادل ظریف، حاصل سالها تجربه و تحقیق است.
تیغههای اسکیت حرفهای معمولاً دارای شیارهای ریز و ظریفی هستند که نه تنها اصطکاک مناسبی ایجاد میکنند، بلکه آب حاصل از ذوب یخ را به طور یکنواخت پخش میکنند. این طراحی پیچیده به اسکیتباز امکان میدهد هم سرعت بالایی داشته باشد و هم کنترل دقیقی روی حرکت خود اعمال کند.
لایه شبهمایع؛ راز پنهان یخ که فیزیک را متحیر کرد
اما داستان به اینجا ختم نمیشود. یخ حتی بدون تیغه اسکیت هم لغزنده است. هر کس که روی یخ راه رفته باشد، میداند که حتی کف کفش معمولی هم روی یخ میلغزد. در واقع، یخ یکی از لغزندهترین سطوح طبیعی است. این پدیده به دلیل ویژگی شگفتانگیز خود یخ است که دانشمندان بیش از یک قرن درباره آن بحث کردهاند.
در سال ۱۸۴۲، «مایکل فارادی» (Michael Faraday)، فیزیکدان برجسته انگلیسی، پیشنهاد کرد که سطح یخ با لایهای نازک از آب پوشیده شده است، حتی در دماهای زیر صفر. اما ابزارهای آن زمان برای اثبات این فرضیه کافی نبودند. بیش از یک قرن بعد، با توسعه تکنیکهای پیشرفته مانند میکروسکوپ نیروی اتمی و پراش اشعه ایکس، دانشمندان موفق شدند وجود این لایه را اثبات کنند.
با توجه به تحقیقات منتشره در سایت «پنس» (PANS)، امروزه میدانیم که در سطح بلورهای یخ، لایهای نازک و به هم ریخته از مولکولهای آب وجود دارد که به آن «لایه شبهمایع» (Quasi-Liquid Layer) میگویند. این لایه که ضخامتی در حد چند نانومتر تا چند ده نانومتر دارد (بسته به دما)، رفتاری بین جامد و مایع از خود نشان میدهد و مانند یک روانکننده طبیعی عمل میکند.
علت تشکیل این لایه به ماهیت پیوندهای هیدروژنی بازمیگردد. در سطح یخ، مولکولهای آب تعداد کمتری پیوند هیدروژنی نسبت به مولکولهای درون بلور دارند. این کمبود پیوند، باعث میشود مولکولهای سطحی تحرک بیشتری داشته باشند و آرایش منظم بلوری را از دست بدهند. نتیجه، لایهای است که خواصی بین مایع و جامد دارد: ویسکوزیته بالاتر از آب مایع، اما تحرک بسیار بیشتر از یخ بلوری.
وجود همین لایه است که باعث میشود حتی بدون اسکیت، به سادگی روی یخ سر بخوریم. همچنین توضیح میدهد چرا یخ در دماهای نزدیک به صفر لغزندهتر است (لایه شبهمایع ضخیمتر) و در دماهای بسیار پایین (مثلاً منفی ۵۰ درجه) لغزندگی خود را تا حد زیادی از دست میدهد و لایه شبهمایع تقریباً ناپدید میشود.
سه عامل دست به دست هم میدهند
اسکیت روی یخ نتیجه همافزایی سه عامل است. لایه شبهمایع که به طور طبیعی روی سطح یخ وجود دارد و اصطکاک پایه را کاهش میدهد. گرمایش اصطکاکی که در اثر حرکت تیغه، این لایه را ضخیمتر کرده و آب بیشتری ایجاد میکند. ذوب فشاری که اگرچه سهم کوچکی دارد، اما در ترکیب با دو عامل دیگر، به روانسازی بیشتر کمک میکند.
در دماهای نزدیک به صفر، لایه شبهمایع به تنهایی برای لغزندگی کافی است. اما در دماهای پایینتر که این لایه نازکتر میشود، گرمایش اصطکاکی نقش حیاتی پیدا میکند. اسکیتبازان حرفهای میدانند که تیز بودن تیغهها در روزهای سرد اهمیت بیشتری دارد، زیرا اصطکاک مناسب برای تولید گرمای کافی ضروری است.
از استخوان تا تیتانیوم
قدیمیترین اسکیتهای یخ کشف شده، متعلق به حدود ۵۰۰۰ سال پیش در فنلاند هستند که از استخوان حیوانات ساخته شده بودند. در این اسکیتها، سوراخی برای بستن استخوان به کف پا ایجاد شده بود. این اسکیتهای استخوانی برای هزاران سال مورد استفاده بودند و شرح آنها در متون تاریخی متعددی آمده است.
در قرن ۱۴ میلادی، هلندیها شروع به استفاده از تیغههای فلزی کردند که کنترل بیشتری به اسکیتباز میداد. این نوآوری، اسکیت را از یک روش حملونقل به یک تفریح و سپس یک ورزش تبدیل کرد. جالب اینجاست که هلندیها از اسکیت روی کانالهای یخزده برای ارتباط بین روستاها استفاده میکردند.
در قرن ۱۹، اسکیت به یک ورزش محبوب در بریتانیا تبدیل شد و اولین باشگاههای اسکیت تأسیس شدند. در همین دوره بود که تیغههای فولادی با طراحیهای مختلف ظهور کردند. جیمز کورن از نوریچ انگلستان، در سال ۱۸۴۸ اولین تیغه تمام فلزی را طراحی کرد که به پاشنه کفش متصل میشد.
امروزه، تیغههای اسکیت با استفاده از فناوریهای پیشرفته و آلیاژهای خاص مانند فولاد ضدزنگ، تیتانیوم و حتی فیبر کربن ساخته میشوند. مهندسان سطح تیغه را با دقت نانومتری طراحی میکنند تا بهترین تعادل میان لغزندگی و کنترل ایجاد شود. اسکیتهای حرفهای حتی برای دماهای مختلف یخ طراحی میشوند. برای مثال، تیغههای مخصوص یخهای سردتر، انحنای متفاوتی دارند تا اصطکاک بیشتری ایجاد کرده و گرمایش کافی تولید کنند.
فیزیک حاکم بر تیغه اسکیت
طراحی یک تیغه اسکیت، حاصل تعامل پیچیدهای از عوامل فیزیکی است. عواملی از جمله انحنا؛ تیغههای اسکیت کاملاً صاف نیستند، بلکه انحنای ملایمی دارند. این انحنا باعث میشود تنها بخش کوچکی از تیغه در هر لحظه با یخ تماس داشته باشد، که فشار موضعی را افزایش داده و مانورپذیری را بالا میبرد. شیارها؛ تیغههای اسکیت معمولاً دارای یک شیار طولی در وسط هستند که دو لبه تیز ایجاد میکند. این شیارها باعث میشوند تیغه هنگام زاویه گرفتن، به خوبی در یخ فرو رود و امکان چرخشهای تند را فراهم کند. زبری سطح؛ همانطور که گفته شد، سطح تیغه نه خیلی صاف و نه خیلی زبر است. زبری بهینه، اصطکاک کافی برای تولید گرمایش لازم را ایجاد میکند، بدون اینکه حرکت را دشوار سازد و عامل دیگر جنس است، تیغههای مدرن از فولادهای با کربن بالا ساخته میشوند که سختی و دوام بالایی دارند. برخی تیغههای حرفهای با پوششهای خاصی مانند تیتانیوم یا کروم پوشانده میشوند تا اصطکاک را کاهش دهند و در برابر خوردگی مقاوم باشند.
تأثیر ناخالصیها
طبق مطالعات منتشر شده در سایت «اِمپیآی» (MPI)؛ ناخالصیها تأثیر قابل توجهی بر لغزندگی یخ دارند. برای مثال، یخ دریا که حاوی نمک است، بسیار لغزندهتر از یخ آب شیرین است. دلیل این است که ناخالصیها نظم بلوری یخ را مختل کرده و لایه شبهمایع را ضخیمتر میکنند. به همین دلیل، اسکیت روی یخ دریاچههای لبشور تجربه متفاوتی است. از سوی دیگر، یخ بسیار خالص میتواند چسبندگی بیشتری داشته باشد. پیستهای اسکیت حرفهای از آب بسیار خالص استفاده میکنند، اما با کنترل دقیق دما و افزودن مواد افزودنی خاص، لغزندگی مطلوب را ایجاد میکنند.
سادگی ظاهری، پیچیدگی شگفتانگیز
اسکیت روی یخ، آنقدر ساده به نظر میرسد که یک کودک هم میتواند انجامش دهد. اما پشت این سادگی ظاهری، دنیایی از فیزیک پیچیده نهفته است: فشار، گرمایش اصطکاکی، لایههای شبهمایع، مهندسی سطح در مقیاس نانو، و تعادل دقیق میان لغزندگی و کنترل.
از استخوانهای گاو در لندن قرون وسطایی تا تیغههای تیتانیومی در المپیک مدرن، انسانها همواره در تلاش بودهاند تا بر این سطح لغزنده چیره شوند؛ و هر بار که اسکیتبازی روی یخ میلغزد و با سرعت پرندگان پیش میرود، در حال اجرای یک آزمایش فیزیک پیچیده است؛ بیآنکه خود بداند.
این پدیده زیبا یادآور این حقیقت است که در دنیای طبیعت، سادهترین پدیدهها اغلب عمیقترین رازها را در خود پنهان کردهاند. رازهایی که قرنها طول کشیده تا یکی یکی کشف شوند، و هنوز هم دانشمندان در حال کشف ابعاد تازهای از آنها هستند. شاید دفعه بعد که روی یخ قدم گذاشتید یا اسکیتبازی را تماشا کردید، به این فکر کنید که چه دنیای شگفتانگیزی از فیزیک در زیر پای او جریان دارد.
انتهای پیام/