Patinaje sobre hielo, ¿cómo funciona realmente?

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

Mis cálculos en ese momento me dijeron que esto era, perdón por mi francés, tonterías. La presión no era lo suficientemente alta como para bajar el punto de fusión a algo así como − 0.5 grados Celsius.

Supongo que es algún otro mecanismo, probablemente relacionado con la estructura cristalina del hielo, pero realmente agradecería si alguien con más conocimientos pudiera decir algo al respecto.

Estoy bastante seguro de que esto fue un problema en el examen final de mi clase de termodinámica de pregrado ;-) así que al menos creo que su cálculo es razonable. Sin embargo, no sé/recuerdo cuál es la verdadera razón.
Bueno, este análisis ignora por completo que cuando patinas no estás parado sino que en realidad te estás moviendo. Debería haber algo de fricción entre los patines y el hielo y esto debería proporcionar suficiente calor para derretir el hielo y crear una fina película de agua. Al menos esta es mi intuición (quizás completamente equivocada).
La energía de enlace cerca de una superficie es diferente a la energía de enlace a granel, y es posible que derrita una capa superficial delgada sin derretir la mayor parte.
Una nueva publicación sobre el tema: phys.org/news/2018-05-slipperiness-ice.html

Respuestas (7)

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

La presión es demasiado pequeña para la fusión a granel, pero la fusión superficial es diferente y este es el problema relevante. Al comprimir una superficie de hielo de agua, se derretirá parte de la superficie, pero al comprimir la superficie de otros materiales, se solidificará cualquier superficie líquida, porque el hielo líquido tiene un volumen menor. La explicación es fundamentalmente correcta, la fusión a granel es irrelevante.
@RonMaimon: Si hay alguna irregularidad en el hielo o en la cuchilla, ¿no sería casi infinita la presión en esos puntos a menos que o hasta que el H2O debajo de ellos cediera? Creo que al menos parte del peso del patinador sería soportado por agua líquida a menos que el agua comprimida se licuara, se reformara a una configuración de menor presión y se volviera a congelar. ¿Serían efectivos los esquís a -35 en una capa de hielo congelada y pulida?
@supercat: la presión no será infinita porque el módulo de hielo de Young no es infinito, no es infinitamente rígido; es comprimible hasta cierto punto y cederá (comprimirá) un poco bajo presión. También puede romperse localmente de manera destructiva y desplazarse como polvo/fragmentos sin cambio de fase.
@SF .: Consideraría la compresión, la ruptura y la fusión como formas de "ceder". Mi punto es que incluso si no hubiera suficiente presión para que el hielo se derrita si el peso se aplicara uniformemente en un patín, algunas áreas debajo de un patín generalmente estarán bajo una presión mucho mayor que otras.

Esta pregunta ha sido muy disputada durante años.

Calderón y Mohazzabi [ 1 ] brindan 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 tanto teóricas como experimentales de que ni la fusión por presión ni la fusión por fricción por sí solas explican el fenómeno y concluyen a partir de la microscopía de fuerza atómica, entre otras pruebas, que existe una capa superficial cuasilíquida previa a la fusión con propiedades especiales. Esto se propuso originalmente. por Faraday y Thompson en la década de 1850, que, junto con el derretimiento de la presión, hacen posible el patinaje sobre hielo.

En realidad, apuntan a otra investigación que muestra que el hielo no es el único sólido que se comporta de manera diferente en la superficie cuando está cerca de su punto de fusión. Las razones principales por las que notamos el hielo es porque es una de las pocas sustancias que encontramos que está cerca de su punto de fusión cuando lo encontramos y su abundancia.

El esquí también se ve favorecido por el derretimiento por fricción una vez que comienza el movimiento. Sin embargo, el alambre pesado que corta el hielo se derrite a presión y se regenera.

Otro artículo que resume bien la investigación previa es el de Dash et. Alabama. [ 2 ]

Ambos documentos a los que se hace referencia también brindan un buen conjunto de referencias para lecturas adicionales.

Referencias

  1. Calderon, C. and Mohazzabi, P. (2018) "Revisión de la prefusión, fusión a presión y regeneración del hielo". Revista de Matemáticas y Física Aplicadas, 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

  1. Drake, JG, Fu, H. y Wettlaufer, JS (1995) "La fusión previa del hielo y sus consecuencias ambientales". Reports on Progress in Physics,58, 115. es. Informes sobre el progreso de la física, 58, 115. https://doi.org/10.1088/0034-4885/58/1/003
Fantástico. Es genial ver que todavía se está publicando material nuevo sobre estos temas. Gracias por compartir el papel.
No hay problema. Ha estado molestando a científicos e ingenieros desde el siglo XIX, no sé si esta es la última palabra, pero no he visto nada nuevo sobre el tema durante el último año más o menos.

La afirmación de que el patín no ejerce suficiente presión para derretir el hielo es incorrecta. Imagina que el patín se baja verticalmente hasta que toca una superficie de hielo perfectamente plana. El área de contacto inicial (antes de que la hoja comience a hundirse en el hielo) sería incalculablemente pequeña y la presión inicial incalculablemente grande debido a las curvaturas. El “rocker” típico de una pala de estilo libre tiene un radio de 6 pies; su “hueco” de 7/16 a 10/16 de pulgada. La hoja suele tener un grosor de 0,15 pulgadas, por lo que sus dos bordes tienen ángulos de "mordida" de 7 a 10 grados. La velocidad a la que un borde podría derretir el hielo y hundirse estaría limitada por la conducción de 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.tilt ) no se adapta bien a la curvatura de la trayectoria, habrá fricción adicional y efectos de sonido a medida que el borde muerde el hielo.

Recuerdo haber leído un libro (sobre física de superficies) durante mi estudio de posgrado sobre este tema. Había un diagrama sobre la fricción de un "patín" de acero sobre argón sólido 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 cayó a valores bajos cuando la temperatura se acercó al punto de fusión. El argón se funde regularmente, por lo que no es posible la fusión a presión. Lamento no haberme memorizado el título y el autor de ese libro :=( Georg

Otro hecho contra la fusión de 2presiones: ¿cómo funciona el esquí? La presión debajo de un esquí es muy baja.

Eso no argumenta en contra de la fusión a presión en absoluto. ¿Por qué esperarías que el esquí y el patinaje explotaran el mismo mecanismo? ¿Por qué esperarías que la nieve y el hielo sólido tuvieran las mismas propiedades?

Bueno, tener un bloque sólido de hielo. Ata pesas a una cuerda en ambos extremos y cuélgala sobre el hielo. La cuerda atravesará el hielo durante un período de tiempo, sin llegar a cortar todo el bloque. ¿Como sucedió esto? posiblemente la presión derritiendo cantidades minúsculas de hielo debajo de la cuerda y el agua volviéndose a congelar sobre la cuerda.

Se demostró que las moléculas de agua superficial vibran con más fuerza que las de la mayor parte, y tienen menos moléculas vecinas con las que interactuar. Aparentemente, esto crea una película nanométrica de agua casi líquida que reduce la fricción.

esto solo es cierto hasta cierta temperatura por debajo de la cual no es necesario tener una capa de agua.

Regelación : la regeneración es el fenómeno de fusión bajo presión y congelación nuevamente cuando se reduce la presión. Muchas fuentes afirman que la regeneración se puede demostrar enrollando un alambre fino alrededor de un bloque de hielo, con un peso pesado adjunto.

Zapatos para patinadores sobre hielo:

El peso total del patinador se concentra en esta pequeña porción del área, por lo que el hielo debajo de los zapatos se derrite rápidamente [debido a la regeneración ] convirtiendo el hielo en agua (tenga en cuenta que debido a la alta presión, el hielo se convierte en agua sin aumento de temperatura, generalmente el hielo se derrite a 0 ℃ ). Por lo tanto, debido a la sustitución de una cierta cantidad de hielo por agua, la fricción de la superficie disminuye y el patinador se mueve fácilmente.

¿Por qué utilizar el término regeneración? Dado que debido a la presión (o) tensión, una pequeña cantidad de hielo se convierte en agua, todo el hielo no se rompe (se derrite), lo que hace posible el patinaje.

También: la gente intentó agregar en wiki, editar resumen

La parte sobre patinaje sobre hielo se agregó a la entrada de wikipedia como un concepto erróneo. A menos que pueda probar lo contrario, creo que no es prudente citar esa entrada de wikipedia como fuente.
Se eliminó hace 10 años y aún no se volvió a agregar. También se citó con una fuente en los conceptos erróneos (actualmente no tengo acceso a la fuente). A menos que pueda proporcionar alguna buena prueba de esto, va en contra de las otras cosas que se dicen y el propósito de este hilo. El punto es que usted tiene la carga de probar que esta presión es suficiente para los efectos indicados. Muchas fuentes no creen que sea una explicación suficientemente buena.
@JMac vamos, la regeneración se llama cuando aplicamos presión sobre el hielo y eso se convierte en agua. Pero cuando se elimina esa presión, el agua vuelve a convertirse en hielo. ¿No crees que esto es lo que sucede al patinar?
Las presiones de los patines no parecen ser lo suficientemente altas como para derretir temporalmente el hielo a temperaturas de hasta -1° C. El problema no es que la regulación no exista. El problema es que el análisis cuantitativo de la situación muestra que el efecto no es lo suficientemente grande como para causar un derretimiento localizado. Necesitaría presiones que no logrará patinando sobre hielo, por lo que se requieren factores adicionales para describir el fenómeno. Su respuesta no proporciona nada más allá de lo que ya describió el OP y luego describió su problema con él. A menos que pueda probar matemáticamente lo contrario, esto no responde
Patinaje sobre hielo, ¿cómo funciona realmente?
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