¿Cómo funciona el patinaje sobre hielo?

Question

Estaba dispuesto a entender un poco mejor la física que hay detrás del patinaje sobre hielo.

Pensamientos desordenados

Desde New Scientist (1964) (probablemente no sea la referencia más actualizada $\ddot \smile$ ), encontré un diagrama que muestra la relación entre los coeficientes de fricción estático y cinético y la temperatura (el eje x está invertido) para el hielo.

Cuando patinamos sobre hielo, ejercemos una gran presión sobre el hielo. Como el hielo es menos denso que el agua líquida, esta presión puede llegar a ser lo suficientemente alta como para convertir el hielo en agua líquida. Intuitivamente pensaría que una presión alta cedería a una temperatura alta, pero supongo que esto sería válido exclusivamente para las miradas ( $PV=nRT$ ). En cualquier caso, no acabo de intuir por qué un hielo más caliente (o más presurizado eventualmente) disminuiría el coeficiente de fricción del hielo.

Preguntas

• ¿Cuál es la intuición detrás del hecho de que el coeficiente de fricción del hielo disminuye a medida que aumenta la temperatura?

• ¿El coeficiente de fricción del hielo disminuye también con una mayor presión? ¿Por la misma razón que la anterior? ¿Como efecto secundario del aumento de la temperatura?

• ¿Por qué los patines de hielo se deslizan tan bien? ¿Porque ejerce una gran presión sobre la superficie de contacto o porque ejerce una gran presión sobre la superficie de contacto que a su vez aumenta la temperatura?

Answer 1

Calderón y Mohazzabi ofrecen un excelente resumen de las diversas teorías propuestas a lo largo de los años para explicar por qué el hielo es tan resbaladizo en su artículo de 2018 "Premelting, Pressure Melting, and Regelation of ice revisited" en el Journal of Applied Mathematics and Physics.

Ofrecen pruebas teóricas y experimentales de que ni la fusión por presión ni la fusión por fricción explican el fenómeno y concluyen, a partir de la microscopía de fuerza atómica, entre otras pruebas, que existe una capa superficial cuasi-líquida previa a la fusión con propiedades especiales que hacen posible el patinaje sobre hielo.

Referencias

1. Calderón, C. y Mohazzabi, P. (2018) La prefusión, la fusión a presión y la regeneración del hielo revisadas. Journal of Applied Mathematics and Physics, 6, 2181-2191. doi: [10.4236/jamp.2018.611183.][1]

Vista previa/lectura en línea en : https://www.researchgate.net/publication/328766489_Premelting_Pressure_Melting_and_Regelation_of_Ice_Revisited

Answer 2

En la sección de noticias y opiniones de la revista Nature hay un debate muy agradable -y bastante accesible- sobre tu tercera pregunta [1] . En este artículo, Bonn analiza los resultados de un trabajo bastante reciente que apareció en Physical Review X [2] . Bonn resume los puntos clave de la siguiente manera:

La idea de que una fina película de agua de deshielo moja la superficie del hielo ha sido aceptada desde el siglo XIX. desde el siglo XIX... [pero]... El agua no es un buen buen lubricante, porque su baja viscosidad significa que es fácilmente que se escapa fácilmente de los huecos. La idea de que una capa de agua es suficiente para lubricar un patín sobre hielo es, por tanto, extraña. Ni siquiera tiene sentido intuitivo, ya que es imposible patinar sobre una carretera o un suelo de la cocina con una capa de agua... [La explicación, por lo tanto parece ser que el agua y el hielo juntos]... forman un tercer cuerpo viscoelástico líquido-sólido en respuesta a la fricción y el desgaste. (Énfasis mío)

Referencias

1. Bonn, Daniel. La física del patinaje sobre hielo. Naturaleza 577, 173-174 ( 2020 ). enlace: https://www.nature.com/articles/d41586-019-03833-5

2. Canale, L., Comtet, J., Niguès, A., Cohen, C., Clanet, C., Siria, A. y Bocquet, L. Nanorreología del agua interfacial durante el deslizamiento del hielo. Physical Review X , 9(4), p.041025 ( 2019 ). enlace: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.9.041025

Answer 3

Según tengo entendido, el patinaje sobre hielo tiene que ver con la presión del patín, que derrite el hielo y se patina sobre el agua derretida. Mira el diagrama de fases del agua. A 1 atm, el agua es sólida, pero a mayores presiones (manteniendo la misma temperatura) el agua cambia a líquido.

Answer 4

Esta pregunta tiene más de física que de química, pero el hecho de que el hielo se derrita para proporcionar una superficie resbaladiza (y supongo que posteriormente se vuelva a congelar) tiene sentido. También podemos pedir a alguien que se deslice sobre hielo seco hecho de dióxido de carbono en lugar de hielo normal y ver si hay algún aumento o disminución de la fricción.

Dos posibilidades -

• (a) Si el agua contribuye entonces la idea es que el hielo seco bajo presión se convertiría directamente en gas y como tal no contribuiría a ser resbaladizo o
• (b) El proceso de transformación del sólido en gas hace que la superficie sea aún más resbaladiza de lo normal, pero el proceso sería intrínsecamente destructivo, ya que el gas no volverá a consolidarse en hielo.

También podemos hacer un experimento utilizando cubos de hielo con agua y hielo seco y pasarlo por encima de un cuchillo de mantequilla y aplicar algo de presión para simular que una persona patina sobre el hielo.