Kĺžuce sa kamene

Ľad má fascinujúce fyzikálne vlastnosti. Pohyb na povrchu zamrznutej vody je pre človeka náročný a vyžaduje si iný prístup ako pohyb na obvyklejších materiáloch. Možno aj preto oddávna ľudí lákal na nezvyčajné aktivity.

Curlingové kamene, foto wikipédia/William D. Moss, public domain

Pri sledovaní curlingu, športu, ktorý naplno využíva zvláštne vlastnosti ľadu, môže vzniknúť dojem, že ide o modernú oddychovú aktivitu. Curling je však v skutočnosti jeden z najstarších kolektívnych športov – medzi zimnými športami možno aj úplne najstarší – a absolvovanie zápasu je celkom fuška.

Tlak a trenie

Klzkosť ľadu je medzi prírodnými materiálmi nezvyčajná vlastnosť. Šmyknúť sa môžeme aj na kamennej dlážke, v porovnaní s ľadom je to však nič. Na kameni nás po chvíli zastaví trenie, to je ale na ľade zanedbateľné. Fyzikov táto vlastnosť ľadu vždy zaujímala. Je známe, že ľad ako taký veľmi šmykľavý nie je a túto vlastnosť mu dodáva tenučká vrstva vody na jeho povrchu. Problém však je, ako sa tam dostala. V polovici 19. storočia britský fyzik James Thomson navrhol hypotézu, podľa ktorej klzkosť ľadu spôsobujú rozdiely v tlaku. Väčšina pevných látok má väčšiu hustotu ako ich kvapalná forma, ľad má však menšiu hustotu ako voda. J. Thomson sa domnieval, že keď sa na ľad postavíme, vyvíjame naň dostatočný tlak na to, aby sa vrstva na povrchu roztopila a urobila ho klzkým. Na ľade sa však kĺžu aj celkom malé predmety, ktoré veľké zmeny tlaku nevyvolávajú.
V roku 1939 prišli cambridgeskí fyzici Frank Bowden a T. P. Hughes s tým, že rozhodujúce je trenie. Trenie premieňajúce kinetickú energiu kĺžuceho sa predmetu na teplo by mohlo na povrchu ľadu vyrobiť vrstvu vody. Hypotéza dopadla podobne ako Thomsonova: niečo na tom je, nie však dosť na úplné vysvetlenie. Na ľade nám niekedy na pošmyknutie stačí, keď iba presúvame váhu z nohy na nohu bez toho, aby sme sa hýbali a vyrábali trenie.

Molekuly

Ostrov Ailsa Craig pri pobreží Škótska sa preslávil ako miesto ťažby najkvalitnejšej žuly na výrobu curlingových kameňov, foto wikipédia/August Schwerdfeger, CC BY 4.0.

Na všeobecne prijímané vysvetlenie naviedol vedcov ešte v časoch Thomsonových pokusov fyzik Michael Faraday. Podľa neho netreba tlak alebo trenie: molekuly sú na povrchu pevnej látky prirodzene slabšie zovreté v pevnej fáze, takže sa môžu v blízkosti bodu topenia meniť na kvapalinu. Ľad má teda na sebe malú vrstvu vody neustále, preto je klzký bez ohľadu na pohyb alebo tlak. Skutočne, v roku 1987 sa vedcom podarilo pomocou röntgenového žiarenia odhaliť na povrchu ľadu vrstvu molekúl vody hrubú len niekoľko nanometrov. V roku 2004 japonský fyzik Katsuyuki Kawamura zistil, že molekuly na povrchu ľadu majú naozaj menej molekulových väzieb, ktoré ich držia v stabilite.
Vysvetlenie, prečo je pohyb po ľade taký náročný, zahŕňa všetky faktory. Tenká vrstva vody na povrchu ľadu nás rozhýbe. Náš pohyb vyvolá trenie a teplo, ktoré pomáha ďalej topiť ľad, a my sa kĺžeme na vode, ktorá tam už bola, aj tej, ktorú sme dodatočne vytvorili trením. V prospech tohto názoru hrá aj poznatok, že pri teplotách okolo -30 °C sa na ľade korčuľuje ťažšie – povrchová vrstva ľadu je vtedy pevnejšia a je dostatočne studená na to, aby sa trením ťažšie rozohriala.

Pokračovanie článku si môžete prečítať v časopise Quark 2/2024. Ak chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov, prihláste sa. Ak ešte nie ste naším predplatiteľom, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.
R