Patinaje sobre hielo, ¿cómo funciona realmente?

Question

Algunos libros de texto que encontré, y una tarea que tuve que hacer hace varios años, sugerían que la razón por la que podemos patinar sobre el hielo es la peculiar $p(T)$ -curva del límite hielo-agua. El razonamiento es que, debido a la alta presión que ejercen los patines sobre el hielo, éste se derretirá a temperaturas inferiores a $273 K$ y así proporcionar una fina película de líquido sobre la que podemos patinar. A continuación se mencionó como hecho divertido que se podría patinar sobre hielo en un planeta con lagos de dióxido congelado porque ese gas tiene la $p(T)$ - y la curva al revés.

Mis cálculos en ese momento me decían que eso era, perdón, una tontería. La presión no era lo suficientemente alta como para bajar el punto de fusión a algo como $-0.5$ grados Celsius.

Supongo que se trata de algún otro mecanismo, probablemente relacionado con la estructura cristalina del hielo, pero agradecería mucho si alguien más entendido pudiera contar algo al respecto.

Answer 1

Sí, es cierto que la presión es demasiado pequeña, pero la verdadera explicación no está justificada todavía. Sin embargo, el sentido común es que hay una película lubricante de agua o al menos hielo anómalo. Para una visión general, véase: http://lptms.u-psud.fr/membres/trizac/Ens/L3FIP/Ice.pdf

Answer 2

Esta cuestión ha sido muy discutida durante años.

Calderón y Mohazzabi $^{[1]}$ 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 "Premelting, Pressure Melting, and Regelation of ice revisited"

Ofrecen pruebas teóricas y experimentales de que ni la fusión por presión ni la fusión por fricción explican por sí solas 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 -esto fue propuesto originalmente por Faraday y Thompson en la década de 1850- que, en conjunción con cierta fusión por presión, hacen posible el patinaje sobre hielo.

En realidad, señalan otras investigaciones que demuestran que el hielo no es el único sólido que se comporta de forma diferente en la superficie cuando se acerca a su punto de fusión. Las principales razones por las que nos fijamos en el hielo es porque es una de las pocas sustancias que encontramos que está cerca de su punto de fusión cuando lo encontramos y por su abundancia.

El esquí también se ve favorecido por la fusión por fricción una vez que se inicia el movimiento. Sin embargo, el alambre lastrado que corta el hielo es la fusión por presión y la regelación.

Otro artículo que resume bien las investigaciones anteriores es el de Dash et. al. $^{[2]}$

Los dos documentos referenciados también ofrecen un buen conjunto de referencias para lecturas adicionales.

Referencias

1. Calderón, C. y Mohazzabi, P. (2018) "Pre-fusión, fusión por presión y regeneración del hielo revisados". Journal of Applied Mathematics and Physics, 6, 2181-2191. https://doi.org/10.4236/jamp.2018.611183

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

2. Drake, J.G., Fu, H. y Wettlaufer, J.S. (1995) "La prefusión del hielo y sus consecuencias medioambientales". Reports on Progress in Physics,58, 115. es. Informes sobre el progreso en Physics,58, 115. https://doi.org/10.1088/0034-4885/58/1/003

Answer 3

La afirmación de que el patín no ejerce suficiente presión para fundir el hielo es errónea. Imagina que el patín desciende verticalmente hasta tocar una superficie de hielo perfectamente plana. El área de contacto inicial (antes de que la cuchilla comience a hundirse en el hielo) sería incalculablemente pequeña y la presión inicial incalculablemente grande debido a las curvaturas. El "rocker" de una pala típica de freestyle tiene un radio de 6 pies; su "hueco" de 7/16 a 10/16 pulgadas. La hoja suele tener un grosor de 0,15 pulgadas, por lo que sus dos filos tienen ángulos de "mordida" de 7 a 10 grados. La velocidad a la que un filo podría fundir el hielo y hundirse estaría limitada por la conducción del calor. En una situación dinámica, con el patinador deslizándose a buena velocidad, la disipación viscosa en la fina capa de agua lubricante generaría parte del calor. Si la trayectoria del patinador es curva, pero la curvatura del balancín multiplicada por sin( inclinación ) está mal adaptado a la curvatura de la trayectoria, entonces habrá efectos adicionales de fricción y sonido cuando el borde mastique el hielo.

Answer 4

Recuerdo que haber leído en un libro (de física de superficies) durante mi estudio de grado sobre este tema. Había un diagrama sobre la fricción de un "patín" de acero sobre el argón a la temperatura de fusión del argón y por debajo de ella. El diagrama era cualitativamente idéntico al mismo experimento para el hielo. La fricción descendía a valores bajos cuando la temperatura se acercaba al punto de fusión. El argón se funde regularmente, por lo que no es posible la fusión a presión. no es posible. Lamento no haber memorizado el título y el autor de ese libro :=( Georg

Otro hecho contra la fusión de la presión": ¿cómo funciona el esquí? La presión bajo un esquí es muy baja.

Answer 5

Bueno, tener un bloque de hielo sólido. Atar pesos a una cuerda en ambos extremos y colgarla sobre el hielo. La cuerda atravesará el hielo durante un periodo de tiempo, sin llegar a cortar todo el bloque. ¿Cómo sucede esto? posiblemente la presión derrite minúsculas cantidades de hielo debajo de la cuerda y el agua se vuelve a congelar por encima de la cuerda.