Pexels
ΧΙΟΝΙ

Γιατί ο πάγος γλιστράει τόσο πολύ

Σου φαίνεται αδιανόητο να σταθείς όρθιος σε παγοδρόμιο; Γνωρίζεις γιατί απαγορεύεται να φορέσεις sneakers στο χιόνι; Οι απαντήσεις δεν είναι αυτές που νομίζεις.

Ένας κανόνας απαράβατος, για κάθε χιονισμένη μέρα, είναι πως ποτέ μα ποτέ δε φοράς παπούτσια με flat σόλες, γιατί είναι μαθηματικά βέβαιο πως στα πρώτα 10 σου βήματα θα γλιστρήσεις στον πάγο και θα νιώσεις το χιόνι να εισχωρεί σε σημεία που ποτέ δε θα ήθελες να συμβεί κάτι τέτοιο. Γιατί όμως ο πάγος γλιστράει; Γιατί το έλκηθρο στον πάγο είναι μια τόσο διασκεδαστική ιστορία και γιατί είναι τόσο δύσκολο να σταθείς όρθιος  σ’ ένα παγοδρόμιο; Στο Vox βρήκαμε όλες τις απαντήσεις.

Τι είναι ο πάγος

Ο πάγος είναι νερό σε στερεή μορφή, αυτό είναι κάτι θα έπρεπε ήδη να το γνωρίζεις. Αυτό που συμβαίνει όμως καθώς το νερό από την υγρή του μορφή, μεταβαίνει στη στερεή, είναι εντυπωσιακό. Για τις περισσότερες ουσίες στο σύμπαν, η στερεή μορφή τους είναι πιο πυκνή από την αντίστοιχη υγρή. Μέσα από ένα μικροσκόπιο μπορούμε να δούμε τα μόρια της κάθε ύλης που παγώνει, να σχηματίζουν συνήθως σφιχτούς δεσμούς. Όμως αυτό δε συμβαίνει με το νερό. Όταν η θερμοκρασία του νερού πέφτει υπό το μηδέν, οι δεσμοί υδρογόνου που διατηρούν ενιαία τη σύσταση του νερού, δημιουργούν μια νέα, πιο αραιά και εκτεταμένη διάταξη μορίων.

Αυτή ακριβώς η ιδιομορφία του παγωμένου νερού γίνεται η αφορμή για την ανάπτυξη σπορ στον πάγο. Όπως εξηγεί το περιοδικό Smithsonian, ο πάγος που χρησιμοποιείται σε πίστες χειμερινών αθλημάτων είναι στην πραγματικότητα απιονισμένο νερό, το οποίο καταψύχεται ανάλογα με τις απαιτήσεις του κάθε σπορ.

Για παράδειγμα, οι αθλητές του πατινάζ προτιμούν πίστες πάγου με νερό που έχει καταψυχθεί στους -3 βαθμούς Κελσίου, ώστε να έχουν καλύτερο έλεγχο των κινήσεων τους. Οι παίκτες του χόκεϊ, προτιμούν επιφάνειες με ακόμα πιο παγωμένο νερό, ώστε να μπορούν να γλιστράνε όσο το δυνατόν καλύτερα. Το χιόνι στην πραγματικότητα, έχει πιο αραιή δομή από το υγρό νερό, γι’ αυτό και τα παγόβουνα μπορούν να επιπλέουν στο νερό. Γιατί όμως εμείς γλιστράμε στον πάγο;

Υπόθεση #1 – Η πίεση λιώνει τον πάγο

Μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνα, ο παραπάνω τίτλος έδινε την απάντηση στο ερώτημά μας. Γλιστράμε στον πάγο όταν ασκούμε πίεση στην επιφάνειά του. Ο καθηγητής φυσικής James Thompson ήταν ο πρώτος που έβγαλε αυτό το συμπέρασμα, τη δεκαετία του 1850, εξηγώντας στους μαθητές του πως όσο πιέζεις ένα κομμάτι πάγου, η δομή του γίνεται πιο ασταθής και στο τέλος λιώνει. Επιχείρησε να κόψει ένα κομμάτι πάγου πρώτα με ένα κομμάτι συρματοπλέγματος και ύστερα με μια πετονιά. Το συρματόπλεγμα έκοψε αμέσως τον πάγο, η πετονιά παρέμεινε κολλημένη στην κορυφή του.

Αυτή φαινομενικά είναι μια ικανοποιητική εξήγηση: Το σύρμα ως καλός αγωγός της θερμότητας, προκαλεί πίεση στον πάγο και τον διαπερνά. Συμβαίνει όμως το ίδιο με το ανθρώπινο σώμα; «Πρέπει να είσαι πραγματικά ογκώδης σωματικά ώστε να λιώσεις ένα αρκετά μεγάλο κομμάτι πάγου», αναφέρει ο καθηγητής θεωρητικής χημείας David Limmer.

O σχολιαστής επιστημονικών θεμάτων των NY Times, Kenneth Chang το έχει εξηγήσει ακόμα πιο αναλυτικά: η πίεση που ασκεί στον πάγο ένα άτομο βάρους 110 κιλών μπορεί να προκαλέσει αύξηση της θερμοκρασίας του μόλις κατά 0,16 βαθμούς Κελσίου. Με λίγα λόγια, αν τοποθετήσουμε έναν ice skater όρθιο πάνω σε μια χιονισμένη βουνοπλαγιά, δεν μπορεί μόνος του να λιώσει τους πάγους.

Υπόθεση #2 – Μήπως ευθύνεται η τριβή;

Η λεπίδα ενός ice skater δημιουργεί τριβές στην επιφάνεια του πάγου, άρα τον βοηθάει να κινείται. Ναι, η τριβή μπορεί να μας εξηγήσει γιατί κινούμαστε με άνεση στον πάγο καθώς κάνουμε πατινάζ, αλλά και πάλι δεν αποτελεί επαρκή απάντηση στο ερώτημα του «γιατί γλιστράμε στον πάγο;»

Υπόθεση #3 – Μια λεπτή ζώνη υγρασίας

Επιστρέφουμε στην υπόθεση #1 και παρατηρούμε ξανά τους μαθητές του καθηγητή Thompson. Πριν αυτοί αναφωνήσουν “WOW…” με το πείραμα του, κάποιοι είχαν ήδη θυμηθεί πως λίγα χρόνια πριν, ο εμβληματικός θεωρητικός της φυσικής, Michael Faraday είχε ανακαλύψει κάτι ακόμα πιο σημαντικό για τον πάγο: μια λεπτή ζώνη υγρασίας στη βάση του. Ο Faraday έκανε την παραπάνω διαπίστωση πραγματοποιώντας ένα απλό πείραμα: πήρε δύο κύβους πάγου και τους τοποθέτησε τον έναν πάνω στον άλλο. Μερικές ώρες αργότερα, είχε διαπιστώσει πως είχαν κολλήσει. Ο Faraday έβγαλε το συμπέρασμα αυτό, λόγω της λεπτής γραμμής υγρασίας που περιβάλλει το κάθε κομμάτι πάγου. Όταν αυτά τα υγρά στοιχεία της κάθε επιφάνειας ενωθούν, παγώνουν ταυτόχρονα. Όμως ο Faraday δεν μπορούσε να αποδείξει την υπόθεσή του εκείνη την εποχή, καθώς η επιστήμη των ατόμων και των μορίων δεν είχε καν ανακαλυφθεί.

Αρκετά χρόνια αργότερα, το 1987, οι επιστήμονες επιβεβαίωσαν την ύπαρξη μιας «σχεδόν υγρής» ζώνης που περιβάλλει το νερό στη στερεή μορφή του, με τη βοήθεια ακτίνων Χ. Οι διαστάσεις αυτής της ζώνης εκτιμήθηκαν μεταξύ 1-94 νανομέτρων και η θερμοκρασία της στον -1°C. Πρόκειται για ύλη με διαστάσεις 1.000 φορές μικρότερη από ένα κοινό βακτήριο, που έγινε αντιληπτή στο ανθρώπινο μάτι με τη χρήση μικροσκοπίων υψηλής ανάλυσης.

Επαλήθευση

Όπως βλέπουμε και στο παραπάνω διάγραμμα, όταν το νερό παγώνει, τα μόριά του ενώνονται μέσω των δεσμών υδρογόνων, σχηματίζοντας κρυσταλλικές δομές (δες τα μόρια με κόκκινο χρώμα). Αλλά τα μόρια στην επιφάνεια του πάγου έχουν λιγότερα όμοια μόρια νερού κοντά τους, ώστε να σχηματίσουν τις δικές τους δομές και γι’ αυτό το λόγο κινούνται άναρχα (δες τα μόρια με μπλε χρώμα). Αυτό το φαινόμενο κάνει την επιφάνεια του πάγου να γλιστράει. Αυτή η συνθήκη βοηθάει έναν ice skater να ξεκινήσει να κινείται στον πάγο, να σχίσει για πρώτη φορά την επιφάνειά του με τις λεπίδες από τα πέδιλα του και στη συνέχεια, ασκώντας τριβή στην επιφάνειά του, να αναπτύξει ταχύτητα και ειλικρινά, αν δεν ξέρεις πατινάζ, καλύτερα να μη βρεθείς δίπλα του.