Al definir “resbaladizo”, uno tiene que preguntarse: “¿Comparado con qué?”
Se sabe que la adhesión entre superficies está relacionada con la energía superficial [1] (o, de manera equivalente, la tensión superficial [2] en líquidos). Si tener dos superficies de contacto se adhiere a menos energía en general que estar en contacto con el medio ambiente, entonces estas se adherirán.
Además, la adhesión entre materiales hidrofílicos se mejora en ambientes húmedos, debido al efecto menisco , en el que la tensión superficial de las gotas de agua en la interfaz de las asperezas de los dos materiales se suma a la fuerza de contacto atractiva (adhesiva) [3].
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Los materiales de alta energía superficial , como los metales y la cerámica, que también son hidrófilos, son “pegajosos” porque sus superficies se atraen entre sí en contacto y el fuerte menisco del agua aumenta la fuerza de atracción. Los materiales de baja energía superficial , como los polímeros [4], son “resbaladizos” porque no se atraen con tanta fuerza y repelen el agua.
Ahora el hielo tiene las siguientes energías superficiales:
Agua helada: 33 dyn / cm
Vapor de hielo: 109 dyn / cm
Vapor de agua: 76 dyn / cm (la diferencia de los dos anteriores)
Esto hace que el hielo sea más “amigable” con el agua de lo que es en sí mismo. El agua penetrará en una interfaz hielo-hielo en la medida en que el ángulo de contacto agua-hielo permita: [6]
[matemáticas] 2cos {\ theta} _0 = \ frac {{\ gamma} _ {ss}} {{\ gamma} _ {sl}} [/ matemáticas]
Debido a los valores de energía de superficie anteriores, este ángulo es cercano a cero. En la práctica, esto se observa en el derretimiento del hielo, donde el agua forma venas, entre los cristales de hielo. [7]
Entrada de menisco de agua en la interfaz de hielo [7]
El efecto menisco también está funcionando en el hielo, sin embargo, el hielo está demasiado frío y hace que la humedad a su alrededor se congele o se derrita, en cuyo caso se convierte en una fuente que, dada cierta fricción, satura fácilmente el contacto con el agua.
Cuando ocurre esto último, el efecto menisco se colapsa. Citando de [8]:
Se ha observado experimentalmente que una capa de nieve húmeda se mantendrá estable a bajos niveles de saturación (hasta 7%); Toda el agua libre es atraída a las interfaces entre las partículas de hielo por los efectos capilares, y las fuerzas tensionales de la superficie a través del líquido unen las partículas. Esto se clasifica como el régimen pendular: el agua forma anillos pendulares en los puntos de contacto entre las partículas y el aire está conectado en todo el paquete. Sin embargo, cuando el nivel de saturación supera el 7%, el aire ya no está conectado; existe en bolsas a lo largo de la capa de nieve y el agua se conecta a través del medio: entonces el comportamiento de la nieve se vuelve más fluido, desaparecen las fuerzas de tensión y la capa de nieve se vuelve inestable. Esto se conoce como el régimen funicular.
Lo que estoy deduciendo de todo esto es que el hielo es “resbaladizo” porque nunca está completamente seco (vea el artículo vinculado por Michael Betancourt) y esto tiene el efecto de reducir su fricción, en lugar de aumentarlo, como con los materiales que usualmente usamos. mira a nuestro alrededor.
El hielo también exhibe superlubricidad (coeficientes de fricción muy bajos) cuando se desliza contra materiales metálicos como el acero (μ = 0.005). Este estudio muy meticuloso [9] atestigua el efecto de la combinación de alta dureza y baja resistencia al corte que exhibe el hielo y no a la fusión por fricción, según la observación experimental de que el coeficiente de fricción depende de la dirección cristalográfica (de los experimentos en patinaje). pistas con superficies de cristal único!).
Referencias
[1] Wikipedia: Energía de superficie. http://en.wikipedia.org/wiki/Sur…
[2] Tensión superficial, definición, unidades y datos del agua a varias temperaturas: http: //www.engineeringtoolbox.co…
[3] B. Bhushan, Manual de tribología moderna, CRC Press, 2001.
[4] Energías superficiales de materiales comunes, consulte la Tabla en la página 3: http://www.flexcon.com/Converter…
[5] Propiedades físicas del hielo: http://www.its.caltech.edu/~atom…
[6] JS Wettlaufer, Superficies de hielo: efectos macroscópicos de la estructura microscópica, Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres. Serie A: Ciencias Matemáticas, Físicas e Ingeniería. 357 (1999) 3403 -3425.
http://earth.geology.yale.edu/~j…
[7] Nye JF, La pudrición del hielo templado, Journal of Crystal Growth. 113 (1991) 465-476.
[8] J. Barlow, Modelado matemático de nieve, http://www.enm.bris.ac.uk/teachi…
[9] Katsutoshi Tusima, Teoría de adhesión para baja fricción en hielo, http://www.intechopen.com/source…
