دانشمندان به این سوال به ظاهر ساده پاسخ می‌دهند
چرا روی یخ لیز می‌خوریم؟!
ورزش اسکیت از ورزش‌های پرتحرک و پرنشاط زمستانی است که طرفداران زیادی دارد. این ورزش مفرح که هم در قالب تفریحی و هم در قالب رقابتی انجام می‌شود از رشته‌های ورزشی حاضر در المپیک زمستانی است. اما این رشته ورزشی و سایر ورزش‌های یخی، وابسته به حقیقتی هستند که ما آن را ساده و بدیهی فرض می‌کنیم و آن لغزنده بودن یخ است. اصطکاک کم یخ، عاملی است که باعث می‌شود اسکی‌بازان بتوانند نزدیک به ۶۵ کیلومتر بر ساعت سرعت بگیرند یا چرخش‌های سرگیجه‌آوری داشته باشند.
وبسایت جام جم آنلاین: ورزش اسکیت از ورزش‌های پرتحرک و پرنشاط زمستانی است که طرفداران زیادی دارد. این ورزش مفرح که هم در قالب تفریحی و هم در قالب رقابتی انجام می‌شود از رشته‌های ورزشی حاضر در المپیک زمستانی است. اما این رشته ورزشی و سایر ورزش‌های یخی، وابسته به حقیقتی هستند که ما آن را ساده و بدیهی فرض می‌کنیم و آن لغزنده بودن یخ است. اصطکاک کم یخ، عاملی است که باعث می‌شود اسکی‌بازان بتوانند نزدیک به ۶۵ کیلومتر بر ساعت سرعت بگیرند یا چرخش‌های سرگیجه‌آوری داشته باشند. در دو قرن گذشته دانشمندان تلاش کرده‌اند علت لغزنده بودن یخ و این که اسکیت‌ها بخوبی روی یخ سر می‌خورند را بر پایه علم فیزیک و شیمی با دقت قابل توجهی توضیح بدهند.
یخ از نظر فیزیکی چگونه ماده‌ای چیست؟
می‌دانید که یخ، همان آب جامد شده است. اما چه اتفاقی آب جامد را به ماده‌ای غیر معمول و جالب تبدیل می‌کند؟ تراکم حالت جامد در بسیاری از موادی که در طبیعت وجود دارد بیشتر از حالت مایع است. وقتی یک ماده به میزان لازم برای جامد شدن سرد می‌شود، مولکول‌هایش در ردیف‌هایی با پیوندهای محکم کنار هم قرار می‌گیرد. اما یخ از این نظر با سایر مواد تفاوت دارد. در یخی که دمای آن چند درجه زیر صفر است، پیوندهای خاص هیدروژنی که مولکول‌های آب را کنار یکدیگر نگه می‌دارد، فضای اضافی بین مولکول‌ها ایجاد می‌کند. این باعث می‌شود یخ جامد تراکم کمتری نسبت به آب مایع داشته باشد (به همین علت است که کوه‌های یخی روی اقیانوس‌ها شناور هستند) و به نظر می‌رسد همین موضوع کلید یافتن علت لغزنده بودن یخ برای دانشمندان است. مسلما یخی که در میدان‌های اسکیت مورد استفاده قرار می‌گیرد، تفاوتی ندارد با یخی که از فریزر شما بیرون می‌آید. همچنان‌که مجله اسمیتسونیان در مقاله جالبی توضیح می‌دهد، یخ میدان‌های بازی المپیک، آب خالص است که لایه لایه روی میدان‌های بازی پاشیده می‌شود تا سطحی با استحکام یکنواخت ایجاد شود.
فرضیه۱: فشار یخ را ذوب می‌کند
این فرضیه عمدتا اشتباه اما جالب است
از قرن 19 تاکنون، رایج‌ترین پاسخ به این پرسش که «چرا یخ لغزنده است؟» این بوده است: «زیرا یخ، زیر فشار ذوب می‌شود.» این ایده از نتایج مطالعات جیمز تامپسون استخراج شد. او در دهه 1230شمسی/ 1850 میلادی روی ریاضیاتی کار کرد که یک ویژگی بسیار عجیب یخ ـ این‌که تحت فشار بالا دوباره تبدیل به آب می‌شود ـ را توضیح می‌دهد. درواقع چون یخ جامد تراکم کمتری نسبت به آب دارد، فشار باعث کاهش ثبات مولکولی و ذوب آن می‌شود. اما این ویژگی نمی‌تواند توضیح دهنده لغزنده بودن زمین‌های اسکی باشد.
دیوید لیمر، استاد شیمی نظری دانشگاه برکلی می‌گوید، وزن شما باید بسیار زیاد باشد تا بتوانید برای اسکی در یک دمای مناسب، یخ را به میزان کافی ذوب کنید. کنت چانگ، روزنامه‌نگار علمی روزنامه نیویورک تایمز در این باره می‌گوید: فردی با وزن تقریبی 68 کیلوگرم که روی تیغه کفش اسکیت ایستاده است، فقط می‌تواند دمای یخ را به میزان بسیار جزئی تغییر دهد. به عبارت دیگر اسکیت بازان نمی‌توانند فشار کافی برای ذوب یخ به آن وارد کنند. بنابراین هرچند ایده اصلی، درست است اما اعداد و ارقام نشان می‌دهد این ایده نمی‌تواند توضیح خوبی برای لغزنده بودن زمین‌های اسکی باشد. به عنوان مثال بر اساس این ایده برای اسکی روی یخی که دمای آن منفی 20درجه سانتی‌گراد است به فشاری معادل دو برابر فشاری که در کف اقیانوس‌ها وجود دارد، نیاز است. این درحالی است که اسکی روی یخ‌هایی با این دما نیز صورت می‌گیرد. همچنین ذوب شدن یخ بر اثر فشار، فوری اتفاق نمی‌افتد؛ هانس ون لیوون، استاد بازنشسته فیزیک نظری که اخیرا توضیحی ریاضی برای اسکیت روی یخ منتشر کرده است، می‌گوید غیرقابل تصور است در یک هزارم ثانیه‌ای که اسکیت باز روی نقطه خاصی از یخ قرار می‌گیرد امکان ذوب شدن یک لایه از یخ وجود داشته باشد. این فرضیه نیز نمی‌تواند همه چیز را توضیح دهد
فرضیه ۲: اصطکاک یخ‌را ذوب می‌کند
این فرضیه نیز نمی‌تواند همه چیز را توضیح دهد
اگر فشار نمی‌تواند توضیح دهنده لغزندگی یخ باشد آیا اصطکاک می‌تواند آن را توضیح دهد؟ آیا حرکت جسمی مانند کفش اسکیت روی یخ، گرمای کافی برای ذوب شدن آن تولید می‌کند؟ پاسخ این است که قطعا اصطکاک توضیح بخشی از ماجراست اما نمی‌تواند لغزندگی غیر معمول یخ را توضیح دهد. هرکسی که روی یک پیاده‌روی پوشیده از یخ راه رفته باشد، می‌داند که درست در همان ثانیه‌ای که پایش روی یخ قرار می‌گیرد، می‌تواند روی آن سر بخورد و این زمان، زمان کافی برای تولید اصطکاک لازم برای ذوب لایه‌ای از یخ نیست. لیمر می‌گوید: اصطکاک یک اثر درجه دوم در لغزندگی یخ است. درواقع اصطکاک به ما کمک می‌کند بدانیم چرا اسکیت بازان می‌توانند سرعت خود را در حرکت روی یخ بیشتر کنند. اما به ما نمی‌گوید اساسا چرا می‌توانیم روی یخ سر بخوریم.
فرضیه ۳: لایه باریکی از آب مایع روی یخ وجود دارد
این نکته، یک نکته کلیدی است
چند سال قبل از این‌که جیمز تامپسون با استفاده از ریاضیات، علت ذوب شدن یخ را بر اثر فشار توضیح بدهد، مایکل فارادی، فیزیکدان معروف ویژگی جالب دیگری را در یخ کشف کرده بود: این‌که یک لایه مایع باریک روی سطح آن وجود دارد. آزمایش فارادی آنقدر ساده بود که شما هم می‌توانید آن را در منزل انجام دهید. دو قالب یخ از فریزر یخچال‌تان بردارید و خیلی سریع آنها را روی هم قرار دهید. چند ساعت بعد خواهید دید دو قالب به هم چسبیده‌اند. فارادی از این مشاهده بدرستی حدس زد که قطعات یخ به دلیل لایه مایع نازکی که روی آنها وجود دارد به هم می‌چسبند. لایه‌های مایع روی دو قالب پس از تماس با هم منجمد شده و دو تکه یخ را به هم متصل می‌کند. این لایه بسیار نازک مایع همچنین باعث صاف‌بودن فوق العاده یخ می‌شود. فارادی در آن زمان نتوانست این فرضیه را ثابت کند، زیرا دانش اتمی و مولکولی که به توضیح این فرضیه کمک کند هنوز وجود نداشت.
اما در سال 1366/ 1987 دانشمندان وجود این لایه «شبه مایع» را با استفاده از اشعه ایکس تائید کردند و نشان دادند این لایه فوق‌العاده باریک است. دقیق‌ترین تخمین‌ها ضخامت این لایه نازک را در دمای منفی یک درجه سانتی‌گراد بین یک نانومتر و 94 نانومتر اندازه‌گیری کرده‌اند. این اندازه، حدود هزار برابر کوچک‌تر از اندازه یک باکتری است. بتازگی دانشمندان توانسته‌اند این لایه مایع روی سطح یخ را با کمک میکروسکوپ‌های بسیار حساس مشاهده کنند. آنچه در سطح مولکولی اتفاق می‌افتد را در شکل مشاهده می‌کنید. وقتی آب یخ می‌زند، هریک از مولکول‌های آب از طریق پیوندهای هیدروژنی به یکدیگر متصل می‌شود، همان‌طور که در نیمه پایین شکل دیده می‌شود، مولکول‌ها در یک ساختار کریستالی، یکدیگر را در جای خود نگه می‌دارند. اما مولکول‌هایی که در سطح یخ قرار دارند، مولکول‌های کمتری می‌یابند که به آنها متصل شوند. این حالت باعث می‌شود مولکول‌های سطح یخ پراکنده‌تر و نامنظم‌تر باشند، شرایطی که در نهایت به لغزنده بودن یخ منجر می‌شود.
وقتی اسکیت‌های آلومینیومی یا فولادی روی یخ قرارمی‌گیرد چه اتفاقی می‌افتد؟
ون لیوون توضیح می‌دهد، لایه نازک آبی که روی یخ وجود دارد، امکان حرکت آنی روی یخ را فراهم می‌کند. همچنان که تیغه‌های اسکیت روی یخ سرعت می‌گیرند اصطکاک بیشتری تولید می‌شود و این اصطکاک، یخ بیشتری را ذوب می‌کند. اصطکاک بیشتر و ذوب شدن مداوم یخ به اسکیت بازان اجازه می‌دهد مانند یک هواپیمای آب‌نشین، درکانالی که با ذوب شدن آب روی یخ حفر می‌شود روی لایه بسیار بسیار نازکی از آب حرکت کنند و همه اینها در لحظه اتفاق می‌افتد. ون لیوون اضافه می‌کند در عین حال دیدن این اتفاقات در یک آزمایش بسیار سخت است،زیرا ضخامت لایه آب آنقدر کم است که نمی‌توان آن را از یخ تشخیص داد. از این رو، این ایده نیز درحال حاضر یک فرضیه است. اما جالب است بدانید طبق برآوردهای ون لیوون، اسکیت‌بازی در دماهای پایین‌تر از منفی 30 درجه سانتی‌گراد بسیار دشوار خواهد بود، زیرا حتی اگر لایه مایع باریک هم روی یخ وجود داشته باشد، تولید گرمای لازم برای ذوب هر مقدار یخ بیشتر به اصطکاک بسیار زیادی نیاز خواهد داشت. همچنین در دماهای پایین تر از منفی 30درجه، یافتن لایه نازک آب روی یخ دشوارتر است و اسکی در این دماها مانند اسکی روی شن خواهدبود.
اسکیت روی جیوه و گالیوم
پرونده اسکی روی یخ را می‌بندیم و به این موضوع می‌پردازیم که آیا سطوح دیگری نیز وجود دارد که بتوان روی آنها اسکی کرد؟ لیمر می‌گوید اساسا همه مواد جامد در دماهای نزدیک به نقطه ذوب‌شان یک لایه نازک مایع روی سطح خود تشکیل می‌دهند. جیوه و گالیوم دو فلزی هستند که نقطه ذوب پایینی دارند؛ ویژگی‌ای که آنها را برای اسکیت مناسب می‌سازد. نقطه ذوب جیوه منفی 83/38 درجه سانتی‌گراد است. اما سرد نگه داشتن یک میدان اسکیت جیوه‌ای تا این دما به انرژی زیادی نیاز دارد.
افزون بر این، بخار جیوه یک ماده سمی قوی است. گالیوم چطور؟ نقطه ذوب گالیوم تقریبا 30 درجه سانتی‌گراد است که شاید برای دمای یک میدان اسکیت کمی بالا باشد. با این حال اسکی روی میدانی با سطحی از آینه نقره‌ای تشکیل شده از فلز گالیوم می‌تواند ایده جذابی باشد. هرچند گالیوم جامد در دماهای نزدیک به نقطه ذوب خود سطح لغزنده‌ای خواهد داشت اما آیا میزان لغزندگی آن برای بازی اسکیت کافی است و آیا اسکی روی سطح گالیومی به آسانی اسکی روی یخ خواهد بود؟ برای فهمیدن پاسخ این پرسش‌ها فقط یک راه وجود دارد و آن آزمایش و مطالعه است.
ارسال نظر