Ghiaccio ” SOTTO PRESSIONE “

Perchè le lame dei pattini scivolano sul ghiaccio?

I fili delle lame scorrono su un sottilissimo velo di acqua che rende il ghiaccio altamente scivoloso.

 

La sottile pellicola di acqua che si forma ha infatti due effetti:

  • il primo è quello di far diventare la superficie del ghiaccio molto liscia poiché favorisce lo scioglimento delle eventuali piccole asperità

  • il secondo è quello di diminuire il coefficiente di attrito della superficie di ghiaccio comportandosi come la cera sui pavimenti di marmo. L’acqua infatti funge da lubrificante perchè le forze intermolecolari fra il liquido e i solidi che lo racchiudono sono assai deboli ( effetto aquaplaning ).

Ma come si forma questo velo d’acqua?

Lo strato più esterno delle superfici ghiacciate si comporta come acqua liquida, anche a una temperatura di -30 °.

Una recensione molto dettagliata del perché il ghiaccio è scivoloso può essere trovata in un articolo di Robert Rosenberg su Physics Today .

In esso viene mostrato l’interessante fenomeno per cui sulle superfici ghiacciate è presente uno strato liquido fino ad una temperatura di -35 ° C. Questo strato liquido, principale responsabile del perchè il ghiaccio è così scivoloso, si forma poiché le molecole prossime alla superficie avrebbero una maggiore mobilità rispetto a quelle più interne, e tale mobilità determinerebbe la parziale fusione delle molecole stesse anche a temperature inferiori a 0°.

Questo sottile strato d’acqua spiega anche perché due cubetti di ghiaccio nel congelatore possono congelarsi insieme quando vengono a contatto, mentre ciò non accade per due blocchi di legno.

Nel novembre del 2017 due ricercatori dell’ AMOLF, Wilbert Smit e Huib Bakker , hanno pubblicato sulla rivista Angewandte Chemie i loro studi sulla forza dei legami tra le molecole d’acqua nello strato superiore di ghiaccio.

Poiché la superficie è molto sottile, hanno utilizzato una tecnica sensibile in grado di visualizzare il comportamento delle sole molecole più esterne della superficie. Negli sforzi precedenti, l’attrezzatura di misurazione non era in grado di distinguere tra lo strato superiore e il resto del ghiaccio.

I due ricercatori di Amsterdam hanno scoperto che lo strato più esterno liquido diventava sempre più sottile quando la temperatura scende, da quattro strati molecolari a -3 ° C a due strati molecolari a -30 ° C. Quando il ghiaccio si raffredda ulteriormente, anche lo strato più esterno alla fine si ghiaccia. Questo è uno dei motivi per cui il ghiaccio diventa meno scivoloso a temperature inferiori a -30 ° C. In tali circostanze, il pattinaggio su ghiaccio diventa sempre più difficile.

A questo fenome dovuto alla natura del ghiaccio si aggiungono altri due fattori :

  1. La PRESSIONE” esercitata dal peso del pattinatore sulla superficie delle lame dei pattini.

  2. La ” PRODUZIONE DI CALORE dovuta all’ attrito per sfregamento sul fondo ghiacciato.

La pressione esercitata dalla lama del pattino provoca la fusione superficiale del ghiaccio, e il velo d’acqua liquida che si forma fa scorrere più velocemente la lama. Quando invece la pressione torna al livello normale, il velo di acqua solidifica nuovamente. Questo fenomeno, detto in inglese Regelation” fu analizzato per la prima volta da Michael Faraday .

Come risulta evidente dal diagramma di stato riportato in figura, il ghiaccio fonde a 0 ° se si trova a pressione atmosferica, ma per pressioni maggiori la fusione avviene anche a temperature più basse.

Il fenomeno si può mettere in evidenza con un esperimento.

Basta appoggiare un blocco di ghiaccio su due sostegni ed esercitare una pressione con un filo, tale pressione fa fondere il ghiaccio, il filo attraversa il blocco, ma non lo spezza. L’acqua, infatti, passa al di sopra del filo e solidifica nuovamente. Alla fine il filo con i pesi cade, ma il blocco di ghiaccio appare intatto.

 

Il secondo fattore è, come già detto, la ” produzione di calore” dovuta all ‘ attrito per sfregamento sul fondo ghiacciato. L’attrito è un fenomeno che trae origine dalle imperfezioni microscopiche delle superfici di contatto. A causa di tali imperfezioni, tra le due superfici avvengono, durante lo sfregamento, degli urti a livello microscopico in seguito ai quali le parti superficiali si mettono a vibrare. Questo processo fa aumentare l’energia cinetica media delle molecole e di conseguenza , la temperatura del corpo.

Come favorire lo scivolamento del pattino? Materiale e forma delle lame.

Per ottenere un migliore scivolamento è necessario ridurre la forza di attrito levigando le superfici di contatto . Vanno inotre utilizzati materiali con basso coefficiente di attrito statico e dinamico. Per questo motivo le lame vengono realizzate in acciaio, materiale leggero ma resistente . Le nuove tecnologie puntano a ridurre il coefficiente di attrito sul ghiaccio utilizzando una diversa qualità d’acciaio, più duro di quello classico, per consentire di pattinare a velocità maggiore, a parità di spinta, di peso e di tecnica.

Inoltre la particolare forma delle lame dei pattini crea una “ camera d’acqua” delimitata dai due fili (edges).

Come si vede in figura la lama non è piana, ma ha un profilo concavo che permette di trattenere l’acqua. Senza di essi la lama tenderebbe a penetrare nel ghiaccio a causa dell’elevata pressione, poichè il peso del pattinatore è tutto concentrato sulla piccola superficie della lama.

Variazione di pressione sulla lama – Spinte e spostamenti di peso per favorire lo scivolamento

Se analizziamo più in dettaglio il tipo di attrito che si genera tra la lama del pattino e il ghiaccio possiamo suddividere il movimento del pattino in tre fasi:

  1. Il pattino è fermo sul ghiaccio, tra le due superfici solide (lama e ghiaccio) è attrito radente statico , ovvero l’attrito che si manifesta tra le superfici dei corpi in contatto fra loro quando sono fermi. Sulla superficie del ghiaccio agisce da solo la pressione esercitata dalla lama dovuta al peso del pattinatore.

  2. Il pattino inizia a muoversi. Sul ghiaccio si genera attrito radente dinamico, che produce calore e fonde la superfice del ghiaccio.

  3. Il pattino è in movimento. La lama ora scivola sulla sottile pellicola d’acqua che funziona da lubrificante dove si genera l’ attrito viscosoQuesta forza di attrito è dovuta all’urto delle molecole del fluido contro il corpo in moto , dipende dalla velocità relativa fra il corpo e il fluido , in particolare per basse velocità la resistenza è proporzionale alla velocità relativa , mentre per velocità più elevate è proporzionale al quadrato della velocità relativa. Grazie a questo fenomeno i pattinatori velocisti possono superare la velocità di 40 Km/h.

 

In conclusione quindi è importante impostare una tecnica che favorisca lo scivolamento delle lame sfruttando gli spostamenti di peso che il corpo esercita sulle lame stesse .

Vedremo nella sezione articoli tecnici

  • perchè sia importante esercitare il peso sulla lama con il corpo e non solamente mediante la forza della gamba,

  • perchè per favorire lo scivolamento è necessario variare la pressione sui vari punti della lama.