چرا یخ لغزنده است؟ یک فرضیهٔ جدید به گفت‌وگو می‌پیوندد.

توسط پولینا رووی‌نسا

همکار نوشتار علمی

مقدمه

دلیل این که می‌توانیم به‌آرامی روی یخ‌پناه اسکی بزنیم یا به‌سختی بر روی پیاده‌راه یخی لغزش کنیم، این است که سطح یخ با یک لایهٔ نازک آب پوشانده شده است. دانشمندان عموماً موافقند که این لایهٔ روان‌کننده و شبیه مایع، عامل لغزش یخ است. اما در مورد اینکه چرا این لایه شکل می‌گیرد، اختلاف نظر دارند.

در طول دو قرن گذشته، سه نظریهٔ اصلی دربارهٔ این پدیده مورد بحث قرار گرفته‌اند. اوایل امسال، پژوهشگرانی در آلمان فرضیهٔ چهارمی را مطرح کردند که ادعا می‌کنند معما را حل می‌کند.

اما آیا این‌طور است؟ توافق به‌نظر می‌رسد نزدیک‌تر شود اما هنوز حاصل نشده است. فعلاً، مسئلهٔ لغزندگی همچنان باز است.

فرضیهٔ ۱: فشار

در میانهٔ قرن نوزدهم، یک مهندس انگلیسی به نام جیمز تامسون پیشنهاد داد که وقتی روی یخ قدم می‌گذاریم، فشار اعمال‌شده باعث ذوب سطح آن می‌شود و لبه‌ای لغزان ایجاد می‌کند. در شرایط عادی، یخ زمانی ذوب می‌شود که دما به صفر درجهٔ سلسیوس (۳۲ درجهٔ فارنهایت) برسد. اما فشار نقطهٔ ذوب را کاهش می‌دهد، به‌طوری‌که حتی در دماهای پایین‌تر، یک لایهٔ آب می‌تواند بر سطح تشکیل شود. این رابطهٔ نظری میان نقطهٔ ذوب و فشار به‌صورت تجربی توسط برادر جیمز، ویلیام، که به‌عنوان لرد کلوین شناخته می‌شود، تأیید شد.

اما در دههٔ ۱۹۳۰، فرانک پی. بُدِن و تی.پی. هیوز از آزمایشگاه شیمی فیزیکی دانشگاه کمبریج، تردیدهای خود را نسبت به نظریهٔ ذوب تحت فشار بیان کردند. آن‌ها محاسبه کردند که یک اسکی‌سوار متوسط فشار بسیار کمی اعمال می‌کند که به‌طور قابل‌توجهی نقطهٔ ذوب یخ را تغییر ندهد. برای این کار، اسکی‌سوار باید وزن چند هزار کیلوگرم داشته باشد.

فرضیهٔ ۲: اصطکاک

بُدِن و هیوز توضیح جایگزینی برای تشکیل لایهٔ آب پیشنهاد دادند: اینکه این لایه به‌دلیل حرارتی که از اصطکاک ناشی از هر جسمی که بر آن سر می‌خورد، ذوب می‌شود.

آن‌ها نظریهٔ خود را در یک غار یخ مصنوعی در کوه‌های آلپ سوئیس آزمایش کردند و از دستگاهی پیچیده برای اندازه‌گیری اصطکاک بین یخ و مواد دیگر استفاده کردند. نتیجه گرفتند که اصطکاک با موادی که هدایت حرارت خوبی دارند، مانند برنج، بالاتر است تا موادی که هادی ضعیفی مثل ابونیت هستند. از این رو، استدلال کردند که زمانی که یخ با ماده‌ای که به‌راحتی حرارت را جذب می‌کند، مالیده می‌شود، حرارت کمتری برای ذوب یخ در دسترس است و در نتیجه یخ کمتر لغزان می‌شود. این یافته‌ها نظریهٔ آن‌ها را تقویت می‌کرد که ذوب ناشی از اصطکاک عامل لغزندگی یخ است.

اگرچه این توضیح هنوز در کتاب‌های درسی آمده است، بسیاری از دانشمندان با آن موافق نیستند. «مشکل این است که فقط یخ پشت‌تان ذوب می‌شود نه یخی که در حال اسکیت کردن بر روی آن هستید»، دانیل بن، فیزیک‌دانی دانشگاه آمستردام، گفت. یخ می‌تواند بلافاصله پس از قدم‌گذاری ما بر آن، حتی قبل از اینکه حرکتی ایجاد شود که بتواند حرارت اصطکاکی تولید کند، لغزان باشد.

فرضیهٔ ۳: پیش‌ذوب

یک امکان دیگر این است که سطح یخ حتی پیش از اینکه چیزی به آن تماس پیدا کند، مرطوب باشد.

در سال ۱۸۴۲، دانشمند انگلیسی مایکل فاراده مشاهده کرد که دو مکعب یخ که به‌هم وصل هستند، به‌یکدیگر می‌چسبند و حتی دست گرم نیز به یخ می‌چسبد. او این پدیده را به یک لایهٔ نازک پیش‌ذوب که بر سطح آشکار یخ قرار دارد نسبت داد که هنگام پوشیده شدن دوباره یخ می‌زند. فاراده نتوانست توضیح دهد چرا این اتفاق رخ می‌دهد و تقریباً یک قرن طول کشید تا دیگر دانشمندان — به‌ویژه چارلز گورنی و ولدمار ویل — پیشنهادی برای دلیل «پیش‌ذوب سطحی» ارائه دهند.

آن‌ها حدس زدند که مولکول‌های نزدیک سطح رفتار متفاوتی نسبت به مولکول‌های عمیق داخل یخ دارند. یخ یک بلور است، یعنی هر مولکول آب در یک شبکهٔ متناوب قفل شده است. اما در سطح، مولکول‌های آب همسایگان کمتری برای باند کردن دارند و بنابراین آزادی حرکت بیشتری نسبت به یخ جامد دارند. در آن لایهٔ به‌نام پیش‌ذوب، مولکول‌ها به‌راحتی توسط اسکیت، اسکی یا کفش جابجا می‌شوند.

امروزه، دانشمندان عموماً موافقند که لایهٔ پیش‌ذوب وجود دارد، حداقل در نزدیک به نقطهٔ ذوب، اما در مورد نقش آن در لغزندگی یخ اختلاف نظر دارند.

فرضیهٔ ۴: آمورفی‌سازی

یا شاید ذوب سطح، علت اصلی لغزندگی یخ نباشد.

اخیراً، تیمی از پژوهشگران دانشگاه سارلند در آلمان به‌دلیل‌های مخالف با هر سه نظریهٔ رایج پرداخته‌اند. نخست، برای اینکه فشار به‌گونه‌ای باشد که سطح یخ را ذوب کند، مساحت تماس بین (مثلاً) اسکی و یخ باید «به‌طور نامعقولی کوچک» باشد، آن‌ها نوشتند. دوم، برای اسکی‌ای که با سرعت واقعی حرکت می‌کند، آزمایش‌ها نشان می‌دهند که مقدار حرارتی که توسط اصطکاک تولید می‌شود برای ذوب کافی نیست. سوم، آن‌ها دریافتند که در دماهای بسیار سرد، یخ همچنان لغزان است حتی اگر لایهٔ پیش‌ذوب وجود نداشته باشد. (مولکول‌های سطحی همچنان همسایگان کمی دارند، اما در دماهای پایین انرژی کافی برای غلبه بر پیوندهای قوی با مولکول‌های یخ جامد ندارند.) «پس یا لغزندگی یخ ناشی از ترکیبی از همه یا بخشی از این عوامل است، یا چیز دیگری وجود دارد که هنوز نمی‌دانیم»، گفت اچرف آتیلا، متخصص مواد در این تیم.

توافقی در مورد یخ

مک‌دَوِل به نتایج آتیلا و همکارانش اعتماد دارد، اگرچه بر این باور است که آمورفی‌سازی تنها در سرعت‌های بالای سر خوردن رخ می‌دهد (نویسندگان مخالفند، اما شبیه‌سازی سرعت‌های پایین سر خوردن نیاز به مقدار بسیار زیاد قدرت محاسباتی دارد).

بن همچنین از توضیح جدید حمایت می‌کند که می‌گوید با مطالعات تجربی از اشیائی که در سال ۲۰۲۱ توسط گروه خودش روی یخ سر می‌خورد، سازگار است. هر دو آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های جدید نشان می‌دهند که یخ به‌دلیل تغییرات ساختاری در سطحش لغزان است، اگرچه پژوهشگران پدیده را با اصطلاحات متفاوت توصیف می‌کنند. آتیلا معتقد است این تغییرات ناشی از جابجایی مکانیکی مولکول‌های آب است، در حالی که بن بر حرکت‌پذیری اولیه مولکول‌های سطحی تمرکز دارد. او سطح را به یک کفپوش پر از توپ‌های کوچک تشبیه می‌کند: «به‌دلیل این‌که آن‌ها بسیار متحرک هستند، در چنین فضایی ایستادن برای شما غیرممکن است، همان‌طور که ایستادن روی یخ نیز بسیار دشوار است.»

بن می‌گوید تفاوت توصیف‌هایشان «یک مسئلهٔ معنایی است»، اما هم‌نویسنده آتیلا، سرگئی سوخومینوف، مخالف است. او گفت: «من معتقدم این‌ها مکانیزم‌های متفاوتی هستند، حتی اگر ظاهرشان مشابه به‌نظر برسد.»

بدون تردید، ما به‌سوی حل سؤال به‌ظاهر ساده و چندصد ساله دربارهٔ دلیل لغزندگی یخ پیش می‌رویم. در این مقطع، فقدان واژگان مشترک بین پژوهشگران ممکن است یکی از بزرگ‌ترین موانع برای حل این مسئله باشد. اثرات مشابه ممکن است نام‌های متفاوتی داشته باشند که بیانگر فرضیه‌های مختلفی هستند. بن همچنین این وضعیت را به این دلیل می‌داند که «پژوهشگران یخ نظرات متفاوت و متناقضی دارند، اما به‌واقع به‌یکدیگر نمی‌گویند که با یکدیگر موافق نیستند.»