Ieskats ledus berzē

2021. gada 8. februāris&lode; Fizika 14, 20

Jauna pieeja ledus berzes pētīšanai palīdz izskaidrot, kāpēc slīdēšanas vieglums ir tik ļoti atkarīgs no temperatūras, kontakta spiediena un ātruma.

×

Latvijā, kur snovbords, snovbords un snovbords ir ļoti populāri, ledus var būt ne tikai “slidens”. Vietējā valodā ir cits termins Slidamiba– Aptuveni tulkots kā “slīdība” – kas attiecas uz vieglu pārvietošanos pa virsmu. Šis termins attiecas uz apziņu, ka slīdēšana uz ledus ir atkarīga no vairākiem faktoriem, ko fiziķiem ir bijis grūti izskaidrot, neskatoties uz 160 gadu pūliņiem. Iepriekšējais darbs ir vērsts uz ūdens slāni, kas veidojas starp ledus virsmu un slīdošu objektu, piemēram, snovbordu. Tomēr šis modelis neizskaidro, kāpēc berze ledus kušanas punkta tuvumā ir augstāka nekā zemākā temperatūrā (1. attēls). 1). Jauns ledus cieto īpašību pētījums var sniegt risinājumu. Reins Leeverink no Amsterdamas Universitātes un viņa kolēģi veica virkni eksperimentu, mērot gan slīdoša objekta berzi, gan ledus cietību dažādos apstākļos. [1]. Novērojumi liecina, ka, palielinoties temperatūrai, cietība samazinās, izraisot augstas berzes “aršanas” izturēšanos, tiklīdz slīdošais objekts spēj iekļūt mīkstākajā ledus virsmā. Šī jaunā pieeja ledus berzes pētīšanai varētu palīdzēt izstrādāt tehnoloģijas, kas uzlabo ziemas braucēju drošību vai dod priekšrocības ziemas sportistiem.

Iepriekšējais darbs ir saistīts ar slīdēšanu ar ūdens virsmas slāni (vai plēvi). Šī ūdens slāņa biezums var izskaidrot, kā mainās berze līdz ar temperatūru [2]. Ļoti aukstā temperatūrā (apmēram $–100{}^{\circ }\text{C}$), kušana ir minimāla, un virsma tiek uzskatīta par sausu, sniedzot iespējamu izskaidrojumu novērotajai lielajai berzei. Temperatūrai paaugstinoties līdz vidējam diapazonam (apm $–20{}^{\circ }\text{C}$), jaunattīstības ūdens slānis darbojas kā plāns eļļošanas slānis, kas var izskaidrot novēroto berzes samazināšanos. Tomēr kļūst mazāk skaidrs, kas notiek tuvu kušanas temperatūrai plkst $0{}^{\circ }\text{C}$Novērotā berze atkal palielinās. Modeļi skaidro, ka samazināto slīdēšanu izraisījis biezs ūdens slānis, taču novērojumi to nav spējuši apstiprināt [3].

Iepriekšējos ledus berzes pētījumos pētniekiem bija grūtības kontrolēt visus attiecīgos faktorus, piemēram, temperatūru un virsmas gludumu. Parasti šos berzes eksperimentus veic ar maza mēroga reometru, kur rotējošo zondi nospiež uz ledus diska. Viena no problēmām ar šiem iestatījumiem ir tāda, ka rotējošā jeb “slīdošā” zonde bieži iet pa vienu ceļu un tādējādi atkārtoti pārvietojas pa vētrainu ledu.

Levrink un kolēģi izmantoja zemas slodzes higrometru ar trīs dažādām slaidu formām: lielu bumbiņu, mazu bumbiņu un slēpju modeli. Komanda saglabāja ledu gludu, atkārtoti pievienojot virsmai jaunu ūdens slāni, un viņi mainīja ledus temperatūru plašā diapazonā. $–120{}^{\circ }\text{C}$ uz $–1.5{}^{\circ }\text{C}$. Papildus berzes mērīšanai ar dažādiem slīdņiem pētnieki izmērīja ledus cietību, izmantojot lielas slodzes mehāniskās testēšanas iekārtu, kas saspieda ledu ar sfērisku zondi. Cietības vērtību nosaka spēks, kas nepieciešams, lai ar zondi iekļūtu virsmā vai ievilktu to.

Dati parādīja, kā ledus cietība mainās atkarībā no temperatūras un slīdēšanas ātruma. Ledus kļūst cietāks aukstākā temperatūrā (1. attēls). 1), savukārt noteiktā temperatūrā cietība palielinās ievilkšanas brīdī un slīdēšanas ātrums kļūst ātrāks. Stinguma uzvedība palīdzēja komandai izskaidrot ledus berzes novērojumus. Zemākajās temperatūrās lielā slīdēšanas berze ir saistīta ar ūdens molekulām, kas stingri paliek uz virsmas. Šīs molekulas kļūst mobilākas, pateicoties bīdāmās joslas bīdes darbībai, un šī kustība kļūst lielāka – un mazāka berze – vidējā temperatūrā. Tomēr augstā temperatūrā berze palielinās, jo samazinās stingrība, ļaujot slīdnim iegremdēties ledū. Neskatoties uz šo cietības samazināšanos, mēs zinām, ka ledus joprojām ir pietiekami ciets, lai slīdētu temperatūrā, kas ir tuvu kušanas temperatūrai. Lielākā daļa citu materiālu kļūst mīksti un “neslīdoši” tuvu to kušanas temperatūrai.

×

Dažādas slīdošās formas sāka apstrādāt dažādās temperatūrās. Pie noteikta saspiešanas spēka mazā lodīte uzrādīja augsnes apstrādi apm $–20{}^{\circ }\text{C}$bet lielākā slēpošanas sadaļa rādīja aršanu plkst $–8{}^{\circ }\text{C}$. Šī uzvedība ir izskaidrojama ar zemāku kontakta spiedienu no lielāka izmēra slēpēm (lielāks kontakta laukums). Ne tikai aizkavē aršanas sākumu, bet arī slēpes zemākais kontakta spiediens nodrošina lielāku virszemes ūdens molekulu kustību, tādējādi nodrošinot labāku slīdēšanu pa bumbu pat aukstā temperatūrā. Berzes atkarība no saskares spiediena ir atkarīga no tā, cik liela daļa slīdvirsmas saskaras ar ledu un vai spiediens ir pietiekams, lai sāktu aršanu (1. attēls). 2). Eksperimenti ar nelielu ātrumu ir parādījuši, ka ledus cietība palielinās līdz ar slīdņa ātrumu, kas nozīmē, ka ātrslidošanai ir jāar mazāk un līdz ar to labāk slīd.

Turpmākajā darbā būtu jāizpēta, kā ledus berzi un slīdēšanu ietekmē laika apstākļi, lielāks slīdēšanas ātrums un ledus struktūra. Laikapstākļi ir problēma, jo tie var ietekmēt ūdens slāņa biezumu. Mana komanda nesen veica eksperimentus ar skeleta ragavām un parādīja, ka mitrums, gaisa temperatūra un ledus temperatūra kopā ietekmē slīdēšanas ātrumu [4]. Mēs arī apsvērām slīdošās virsmas topogrāfijas un slodzes ietekmi uz slīdēšanas ātrumu [5]. Lai izmērītu efektu ātrākos slīdēšanas apstākļos, pētniekiem būs nepieciešama piemērota testēšanas iekārta, piemēram, slidošanas trase Siguldā, Latvijā, kur garā, taisnā posmā var sasniegt lielāku ātrumu. [6]. Šādiem testiem būtu nepieciešama uzlabota sensoru sistēma, lai precīzi un vienlaikus izmērītu ledus berzi un gaisa pretestību [7].

Pēdējais elements turpmākajam pētījumam ir tas, kā ledus struktūra palīdz regulēt cietību. Ir zināms, ka ledus pašdziedinās pēc virspusējām skrāpējumiem. Ledus var izrādīties līdzīgs tēraudam, jo ​​tas kļūst cietāks pēc mehāniskas slodzes jeb “aukstās apstrādes”. Materiālu zinātnei ir jānodrošina uzlabots raksturojums un testēšana ekstremālos apstākļos, lai pilnībā atklātu ledus slīdēšanu.

Par autoru

Kārlis Agris Gross ir Latvijas Tehniskās universitātes materiālzinātnes profesors un Materiālzinātnes un lietišķās ķīmijas augstskolā vada biomateriālu pētniecības grupu. Viņa pieredze ir saistīta ar biomateriāliem, amorfām fāzēm, strukturēšanu un jaunu metožu izstrādi, lai padziļinātu zinātniskos pētījumus šajās saistītajās jomās. Pēdējie pieci gadi ir pavadīti, uzsākot ledus un saistīto materiālu izpēti. Viņš strādā pie nanosensēšanas eksperimentiem, koncentrējoties uz materiāliem zem nulles temperatūrā. Viņš nesen (2017-2020) ir piedalījies ERAF projektā Mēģinot atklāt, kā virsmas īpašības ietekmē slīdēšanu (Nr. 1.1.1.1/16/A/129). [email protected]

Saistītie raksti

Vairāk rakstu