สเก็ตน้ำแข็งทำงานอย่างไรตามหลักฟิสิกส์และเคมี
กีฬาน้ำแข็งในฤดูหนาวขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงข้อนี้: น้ำแข็งลื่น
แรงเสียดทานของน้ำแข็งต่ำคือสาเหตุ ที่นักสเก็ต ความเร็วสามารถวิ่งได้ถึง 35 ไมล์ต่อชั่วโมงทำไมนักสเก็ตลีลาถึงหมุนเป็นวงกลมจนน่าเวียนหัว และทำไมหินโค้งน้ำหนัก 40 ปอนด์จึงสามารถเหินและทำได้สำเร็จไม่ว่าจุดโค้งงอจะเป็นเช่นไร
แต่ในช่วงสองศตวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์พยายามอธิบายว่าทำไมน้ำแข็งจึงลื่น — และทำไมรองเท้าสเก็ตจึงลื่นบนน้ำแข็งได้ดี
อุปสรรคประการหนึ่ง: การเล่นสเก็ตบนน้ำแข็งเป็นเรื่องยากที่จะเรียนอย่างน่าประหลาดใจ คุณมองไม่เห็นว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อใบมีดตัดน้ำแข็งเพราะใบมีดบดบังการมองเห็น และชั้นน้ำแข็งที่รองเท้าสเก็ตลื่นไถลไปนั้นบางมากด้วยกล้องจุลทรรศน์
ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงต้องอาศัยความรู้ทางฟิสิกส์และเคมีในการอธิบาย พวกเขาคิดขึ้นมาสองสามอันที่ทับซ้อนกัน ซึ่งแต่ละอันก็อธิบายถึงคุณสมบัติอันน่าทึ่งของน้ำแข็ง เนื่องจากฤดูหนาวได้ตกลงสู่ซีกโลกเหนือแล้ว จึงเป็นเวลาที่ดีที่จะเจาะลึกเข้าไป
ก่อนอื่นทบทวน: น้ำแข็งคืออะไร?
น้ำแข็งคือน้ำที่เป็นของแข็ง คุณก็รู้นี่. แต่สิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อกลายเป็นของแข็งทำให้สารนี้ดูแปลกตาและน่าหลงใหล
สำหรับสสารส่วนใหญ่ในเอกภพ เฟสของแข็งจะหนาแน่นกว่าเฟสของเหลว เมื่อวัสดุเย็นลงพอที่จะก่อตัวเป็นของแข็ง โมเลกุลของมันจะจับตัวกันเป็นแถวเรียงกันแน่น แต่น้ำแข็งนั้นแตกต่างออกไป เมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่า 32°F พันธะไฮโดรเจนพิเศษที่เชื่อมโยงโมเลกุลของน้ำเข้าด้วยกันจะทำให้มีช่องว่างระหว่างโมเลกุลของน้ำเพิ่มขึ้นเมื่อพวกมันแข็งตัว
และปรากฎว่าคุณสามารถปรับแต่งน้ำแข็งเพื่อประโยชน์ของนักกีฬาในกีฬาประเภทต่างๆ
ดัง ที่นิตยสารสมิธโซเนียนอธิบายไว้ น้ำแข็งที่ใช้ในลานสเก็ตน้ำแข็งโอลิมปิกคือน้ำบริสุทธิ์ ฉีดพ่นบนลานสเก็ตทีละชั้นเพื่อสร้างพื้นผิวที่สม่ำเสมอไร้ที่ติ ความหนาและอุณหภูมิของน้ำแข็งในกีฬาโอลิมปิกขึ้นอยู่กับชนิดกีฬา นักสเก็ตลีลาชอบให้น้ำแข็งตั้งใกล้กับจุดหลอมเหลวที่ 25°F เพื่อการยึดเกาะและการควบคุมที่มากขึ้น ผู้เล่นฮอกกี้ชอบพื้นผิวที่เย็นกว่า แข็งกว่า และเร็วกว่าในท้ายที่สุด
น้ำแข็งจริงมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่เป็นของเหลว (นี่คือสาเหตุที่ภูเขาน้ำแข็งลอยอยู่ในมหาสมุทร) และสำหรับนักวิทยาศาสตร์ นี่เป็นเงื่อนงำในการหาคำตอบว่าเหตุใดน้ำแข็งจึงลื่นมาก
สมมติฐานที่ 1: ความดันทำให้น้ำแข็งละลาย (ซึ่งส่วนใหญ่ผิด แต่ก็ยังน่าสนใจ)
ตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 คำตอบที่พบบ่อยที่สุดสำหรับคำถามที่ว่า “ทำไมน้ำแข็งจึงลื่น” คือ “เพราะน้ำแข็งละลายภายใต้ความกดดัน”
แนวคิดนี้มาจากงานของ James Thompson ซึ่งในปี 1850 ได้คิดคณิตศาสตร์ที่อธิบายคุณสมบัติที่แปลกประหลาดมากของน้ำแข็ง นั่นคือ ภายใต้ความกดดันสูง น้ำแข็งจะเปลี่ยนกลับเป็นน้ำ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าน้ำแข็งแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ หากคุณบีบน้ำแข็ง น้ำแข็งจะมีความเสถียรน้อยลงและละลาย
คุณสามารถแสดงผลนี้ได้ด้วยการทดลองง่ายๆ ใช้ลวดยาวและมัดตุ้มน้ำหนักที่ปลายแต่ละด้าน จากนั้นวางลวดบนก้อนน้ำแข็งขนาดใหญ่ แรงดันของลวดจะตัดเส้นที่สะอาดผ่านน้ำแข็ง (ซึ่งจะแข็งตัวกลับรวมกันอีกครั้งเมื่อลวดทะลุผ่าน ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่า“การเกิดใหม่” ) ดูว่าเกิดขึ้นที่นี่:
เป็นเรื่องน่าดึงดูดใจที่จะคิดว่านี่คือวิธีการทำงานของสเก็ตน้ำแข็ง — แรงกดที่ออกโดยใบมีดบางๆ บนน้ำแข็งจะละลายน้ำได้มากพอเพื่อลดแรงเสียดทานและช่วยให้ลื่นไถลได้
แต่นี่คือปัญหา: “คุณต้องเป็นคนตัวใหญ่อย่างไม่น่าเชื่อเพื่อที่จะละลายน้ำแข็งให้เพียงพอเพื่อให้สามารถเล่นสเก็ตได้ที่อุณหภูมิที่เหมาะสม” David Limmer ศาสตราจารย์วิชาเคมีเชิงทฤษฎีที่ UC Berkeley กล่าวในการให้สัมภาษณ์เมื่อปีที่แล้ว .
ดังที่ Kenneth Chang จาก New York Times ได้อธิบายไว้ คนน้ำหนัก 150 ปอนด์ที่ยืนบนใบมีดจะ ทำให้ จุดหลอมเหลวของน้ำแข็งลดลงจาก 32°F เป็น 31.97°F เท่านั้น ในขณะที่ลานสเก็ตน้ำแข็งสำหรับสเก็ตลีลาโดยทั่วไปจะรักษาอุณหภูมิไว้ที่ 24° F พูดง่ายๆ ก็คือ นักสเก็ตไม่สามารถออกแรงกดมากพอที่จะละลายน้ำแข็งได้
“ดังนั้น แม้ว่าแนวคิดพื้นฐานจะถูกต้อง — คุณสามารถละลายน้ำแข็งได้โดยการเพิ่มแรงดัน แต่ตัวเลขก็ไม่ได้ผลเลย” Limmer กล่าว (เอกสารฉบับหนึ่งอธิบายว่าหากน้ำแข็งเย็นมาก -4°F จะต้องใช้แรงดัน 39,680 psi จึงจะละลายพอที่จะเล่นสเก็ตได้ ซึ่งมากกว่าสองเท่าของแรงดันที่พบที่ก้นมหาสมุทร! สามารถเล่นสเก็ตน้ำแข็งได้)
นอกจากนี้ การหลอมละลายด้วยแรงดันไม่ได้เกิดขึ้นในทันที ดังที่คุณเห็นในวิดีโอด้านบน “ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้เลยที่ในเสี้ยววินาทีที่นักเล่นสเก็ตใช้เวลาไปถึงจุดหนึ่งบนน้ำแข็ง คนๆ หนึ่งจะสามารถทำให้ชั้นของน้ำละลายได้โดยง่าย” Hans van Leeuwen ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์เชิงทฤษฎีซึ่งเพิ่งตีพิมพ์คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของสเก็ตน้ำแข็งกล่าวว่า
สมมติฐานที่ 2: แรงเสียดทานทำให้น้ำแข็งละลาย (อุ่นขึ้น แต่ก็ไม่ได้อธิบายทุกอย่าง)
ดังนั้นแรงกดของใบมีดบางๆ บนน้ำแข็งจึงไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมรองเท้าสเก็ตจึงลื่นไถล แต่สิ่งที่เกี่ยวกับแรงเสียดทาน? การเคลื่อนที่แบบเลื่อนของสเก็ตน้ำแข็งบนพื้นผิวไม่สามารถสร้างความร้อนเพียงพอที่จะละลายน้ำแข็งได้หรือ
นี่เป็นส่วนหนึ่งของคำตอบอย่างแน่นอน แต่ก็ไม่ได้อธิบายว่าทำไมน้ำแข็งถึงลื่นผิดปกติในตอนเริ่มต้น ใครก็ตามที่เดินบนทางเท้าที่ลื่นจะรู้ว่าคุณสามารถลื่นบนน้ำแข็งได้ในวินาทีที่เท้าของคุณแตะมัน และนั่นไม่มีเวลาเพียงพอที่จะสร้างแรงเสียดทานที่จำเป็นในการละลายฟิล์มน้ำ
แรงเสียดทาน “เป็นผลลำดับที่สอง” ในปัญหาสเก็ตน้ำแข็ง ลิมเมอร์อธิบาย แรงเสียดทานช่วยให้เราเข้าใจว่าทำไมรองเท้าสเก็ตน้ำแข็งจึงลื่นไถลได้เร็วขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเคลื่อนที่ แต่ไม่ใช่สาเหตุที่ทำให้สเก็ตน้ำแข็งเริ่มได้ตั้งแต่แรก
สมมติฐานที่ 3: มีชั้นของเหลวขนาดเล็กมากอยู่บนน้ำแข็ง (นี่คือกุญแจสำคัญ)
ไม่กี่ปีก่อนที่ James Thompson จะอธิบายว่าเหตุใดความดันจึงละลายน้ำแข็งได้ นักฟิสิกส์ Michael Faraday ได้ค้นพบคุณสมบัติที่น่าสนใจอีกอย่างของน้ำแข็ง นั่นคือ ชั้นของเหลวบางๆ บนพื้นผิวของมัน การทดลองของเขานั้นง่ายมากที่คุณสามารถทำได้เองที่บ้าน
นำน้ำแข็งสองก้อนในช่องแช่แข็งของคุณ และอย่างรวดเร็ว – เพื่อไม่ให้ส่วนใดส่วนหนึ่งของมันร้อนถึงจุดหลอมเหลว – นำมาวางทับกัน
กลับมาอีกไม่กี่ชั่วโมง พวกเขาติดกันงอมแงม
ฟาราเดย์ (เดาถูก) เดาว่าก้อนน้ำแข็งติดกันเพราะมีชั้นของเหลวล้อมรอบ เมื่อชั้นของเหลวเหล่านี้มาบรรจบกัน
ชั้นของเหลวที่บางมากนี้ยังทำให้น้ำแข็งเนียนเป็นพิเศษอีกด้วย แต่ฟาราเดย์ไม่สามารถพิสูจน์สมมติฐานของเขาได้ในขณะนั้น วิทยาศาสตร์ของอะตอมและโมเลกุลยังไม่สามารถช่วยในการอธิบายได้
ในปี 1987 นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจสอบการมีอยู่ของชั้น “กึ่งของเหลว” นี้ด้วยการถ่ายภาพรังสีเอกซ์ และมันบางสุดๆ ค่าประมาณที่ดีที่สุดพบว่าความหนาที่ -1°C (30.2°F) อยู่ระหว่าง 1 นาโนเมตรถึง 94 นาโนเมตร ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าแบคทีเรียประมาณ 1,000 เท่า ไม่นานมานี้ นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นพื้นผิวของของเหลวโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ที่มีความไวสูงมาก
นี่คือแผนภาพที่แสดงสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับโมเลกุล
เมื่อน้ำถูกแช่แข็ง โมเลกุลของน้ำแต่ละโมเลกุลจะจับกันผ่านพันธะไฮโดรเจน ยึดเหนี่ยวกันและกันในโครงสร้างผลึก ดังที่คุณเห็นในครึ่งล่างของภาพ แต่โมเลกุลบนพื้นผิวมีโมเลกุลอื่นเกาะติดน้อยกว่า ซึ่งทำให้ไม่เป็นระเบียบมากขึ้น — และทำให้น้ำแข็งลื่นในที่สุด
วางมันทั้งหมดเข้าด้วยกัน
จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อไอซ์สเก็ต ที่ทำจากอะลูมิเนียมหรือเหล็กสัมผัสกับน้ำแข็ง
Van Leeuwen อธิบายว่าชั้นของเหลวเล็กๆ เป็นสาเหตุที่ทำให้รองเท้าสเก็ตสามารถเริ่มเคลื่อนที่ได้ทันทีบนน้ำแข็ง และเมื่อใบมีดเคลื่อนที่เร็วขึ้นและเร็วขึ้นผ่านน้ำแข็ง แรงเสียดทานก็มากขึ้นซึ่งจะทำให้น้ำละลายมากขึ้น ขณะที่นักเล่นสเก็ตเคลื่อนตัวไปข้างหน้า เธอจะไถลผ่านน้ำแข็งและทำให้น้ำแข็งเสียรูป สิ่งนี้ทำให้เกิดแรงเสียดทานมากขึ้นและการหลอมละลายมากขึ้น ทั้งหมดนี้ทำให้นักสเก็ตสามารถร่อนบนแผ่นฟิล์มบาง ๆ ของน้ำในช่องที่พวกเขาแกะสลักได้เหมือนไฮโดรเพลน และทั้งหมดนี้เกิดขึ้นในชั่วพริบตา
อีกครั้ง ทั้งหมดนี้คงเป็นเรื่องยากมากที่จะเห็นโดยตรงในการทดลอง Van Leeuwen กล่าวว่า “ความหนาของชั้นน้ำนั้นเล็กมากจนคุณไม่สามารถแยกความแตกต่างจากน้ำแข็งได้ ดังนั้นจึงเป็นสมมติฐานสำหรับตอนนี้
แต่ที่น่าสนใจคือ Van Leeuwen ประมาณการว่าเป็นเรื่องยากมากที่จะเล่นสเก็ตที่อุณหภูมิต่ำกว่า -30°C แม้ว่าจะยังมีชั้นของเหลวเล็กๆ บนน้ำแข็ง แต่ก็ต้องใช้แรงเสียดทานมากเกินไปในการสร้างความร้อนเพียงพอที่จะละลายสิ่งอื่นๆ นอกจากนี้ อุณหภูมิที่ต่ำกว่านี้ ชั้นของเหลวเล็กๆ บนน้ำแข็งจะตรวจจับได้ยากขึ้นและยากขึ้น มันจะเหมือนกับการเล่นสเก็ตบนกรวด (แม้ว่าทำไมในโลกนี้คุณถึงอยากเล่นสเก็ตที่อุณหภูมิ -22°F เกินกว่าฉันไป)
เราจะเล่นสเก็ตอะไรได้อีก
ตกลง. ปิดคดี. แต่ฉันก็สงสัยว่า: มีพื้นผิวอื่นที่เราสามารถเล่นสเก็ตได้หรือไม่? ดังที่ลิมเมอร์อธิบาย “โดยพื้นฐานแล้วของแข็งทั้งหมด” จะก่อตัวเป็นชั้นของเหลวเล็กๆ “เมื่อพวกมันมีอุณหภูมิใกล้เคียงกับอุณหภูมิหลอมละลาย”
ปรอทแข็งตัวที่ -37.89°F มันต้องใช้พลังงานมากเกินไปในการทำให้ลานปรอทเย็นขนาดนั้น นอกจากนี้ ปรอทยังเป็นพิษต่อระบบประสาทที่มีศักยภาพ
แล้วแกลเลียมล่ะ? เป็นโลหะที่หลอมละลายที่อุณหภูมิ 85.58°F — ร้อนเล็กน้อยสำหรับลานสเก็ต แต่ลองนึกภาพนักสเก็ตที่ทำสามแกนบนพื้นผิวแกลเลียมกระจกสีเงิน “นั่นฟังดูเป็นความคิดที่ยอดเยี่ยม” ลิมเมอร์กล่าว (ตรวจสอบให้แน่ใจว่ารองเท้าสเก็ตของคุณไม่ได้ทำมาจากอะลูมิเนียม!เมื่ออะลูมิเนียมทำปฏิกิริยากับแกลเลียมมันจะเปราะมาก )
แม้ว่าแกลเลียมที่เป็นของแข็งจะลื่นกว่าเมื่ออยู่ใกล้จุดหลอมเหลว แต่มันจะลื่นพอสำหรับการเล่นสเก็ตน้ำแข็งหรือไม่? หรือง่ายพอที่จะไถพรวน? มีวิธีเดียวที่จะค้นหา
