* Лед
Публикувано на 16 ноември 2011 в раздел Физика.
Няколко въпроса свързани с леда и шофирането върху лед:
- Защо ледът е хлъзгав?
- Защо при под -40℃ ледът не е хлъзгав?
- Помагат или пречат веригите при каране по лед? Защо?
- Как е по-добре да шофираме върху лед ако нямаме вериги – със спуснати, пренадути или нормално напомпани гуми? Защо?
- А колко напомпани трябва да са гумите ако сме с вериги? Защо?
- Помага или пречи блокирането на гумите при спиране върху лед? А върху сняг?
Въй, само един и половина верни отговори. Но ми хареса, че се опитваш да мислиш сам, а не да ползваш гугълски заготовки! А в този случай впрочем те в по-голямата си част са освен всичко друго и грешни!
Стар и добре утъпкан в учебниците мит е, че поради по-ниската си плътност в твърдо състояние (да, плътността на леда е по-малка от тази на водата и той затова плува в нея), то при правене на налягане върху него той се втечнява. Ако това се приеме за вярно, то имаме попадение върху много практически примери. Класическият – кънките за лед имат много тясна повърхност, следователно правят „воден улей“ чрез налягането направено върху тази малка площ, което пък се явява като смазка и имаме приплъзване.
Трудно обаче се обяснява защо тогава стъпвайки с големи обувки с плоски подметки вие пак се плъзгате точно толкова, колкото и с кънки? Дори да легнете върху леда – пак се плъзгате чудесно. Изглежда, че повече или по-малко налягане е все едно – хлъзгаме се. Горната теория казва „да, ама по-малко“.
А една друга (потвърдена с микроскопски наблюдения) по-нова ни казва, че ледът всъщност не е толкова „твърдо тяло“, колкото си мислим, че е. Оказва се, че молекулите по повърхността му „вибрират“ значително повече от нормалното за твърди тела. Тоест той се явява нещо като „полутвърдо тяло“ (аз си го измислих), проявяващо известни качества на течност. А тези вибриращи молекули в случая се явяват като въпросната водна смазка, от което следва и хлъзгането.
Отговорих на първи въпрос. Сега по другите:
2. Колкото по-студено става, толкова повече се втвърдява. А с това губи и въпросните „полутвърди“ свойства, които го правят хлъзгав.
Offtopic: При една температура от под -100C например, той си става изключително лепкав. Впрочем това съм го изпитал лично с лед получен от разлят течен азот върху мокра (с тънък слой вода) повърхност – любопитните пръсти залепват много неприятно и могат да се получат дори изгаряния. Това естествено не е свързано с „хлъзгавост“, а със замръзването на влагата по кожата ни – тя започва да замръзва и се „свързва“ с другия лед. Същият ефект като лизването на леден метал с език :)
3. Веригата определено помага, защото се вкопава в леда и си прави „трапчета“ в него, които пък от своя страна се явяват грапавините, които са ни нужни за получаване на сцепление. Всъщност след шиповете, веригите са единственото смислено решение за движение по лед.
Offtopic: Ламелите и мекия каучук на зимните гуми помагат спрямо вдървени летни гуми, това е ясно – вдървената гума губи контактната си повърхност, от което има по-малък шанс за „зацепване“ в грапавините. Но ако трябва да сравним разликата между „топ-зимни гуми и обикновени такива“ с разликата между „със и без верига“, то везните колосално се наклоняват в полза на веригите! Дори „сликове“ с вериги ще са много по-проходими през гладък лед спрямо най-добрата гума на пазара.
4. В никакъв случай пренапомпани! Да, допирната площ е по-малка, но гумата има нищожен шанс да се „вкопае“ в леда (а ако се приеме класическата теория за налягането – ще се хлъзга повече). В случая ви трябва по-голяма допирна площ – възползвате се от грапавините по леда, та били те дори „микро“. Спуснатите гуми определено ще помогнат върху лед. Но разликата с нормално напомпани няма да е драстична.
5. Абсолютно никога пренапомпани – веригата ще ги „яде“ и може да ги прецака. Спуснатите пък ще пречат на вкопаването на веригите – защо да го правим? С вериги се кара с нормално напомпани гуми.
6. Блокирането на колелата е най-големия проблем при спиране върху лед. Практически автомобила „спира да спира“ и продължава да се хлъзга като шейна. Точно това впрочем е най-добрия термин – с блокирани колела се „хлъзгаме“. А спирането изисква сцепление.
При сняг обаче е точно обратното! Снега не е чак толкова хлъзгав и ако не е прекалено утъпкан (т.е. превърнат в лед) съответно върху него сцепление винаги има. Блокираните колела всъщност „вкопават“ колата надолу в снега. А вкопавайки се се натрупва сняг пред гумата, който пък действа като стена, която помага да се спре по-бързо. Тоест ABS например при сняг пречи, а не помага.
П.С. Впрочем и при двете теории отговорите се получават еднакви. Което пък ни показва колко различна може да бъде „истината“, т.е. това, което приемаме за истина :)
1. Защото е гладък и му е малко сцеплението с други повърхности?
2. Хмн… може би при такава температура влагата от въздуха кондензира върху всякаква повърхност, която пък се споява с всяка друга повърхност, до която се допира? Стрелям напосоки :)
3. Предполагам че помагат. Допирната площта на веригата с леда е по-малка от допирната площ на чиста гума, следователно натиска който оказват (тегло върху площ) е по-голям и се „вкопават“?
4. Следвам същата логика и давам отговор „пренадути гуми“ – за да се намали допирната площ.
5. Не знам дали оказва въобще влияние. Може би трябва да сме с пренадути гуми, за да не „хлопат“ веригите?
6. Мисля че блокирането винаги пречи.
По тези точки само си предполагам с някакви теоретични знания, без никакъв практически опит в нещата :) Да ме извините ако съм написал някакви глупости.
Точно тази седмица имахме спор по този въпрос и отговорите са напълно верни. Нека в тази тематика задам и аз един въпрос, който възникна по време на спора: Защо изкуственият сняг е топи по-бавно от естествения ?
Доколкото знам в изкуствения сняг се слагат допълнително химикали, които подобряват издръжливостта му (и като бонус създава работа на еко активисти). Предполагам именно те спомагат за по-висока температура на топене.
Иначе не знам да има съществена разлика между изкуствения и естествения сняг. Все от вода идат. Може кристалната решетка да е различна? Стрелям на посоки :)
„Старият и добре утъпкан в учебниците мит“…
е просто термодинамичен начин да се каже това:
„молекулите по повърхността му „вибрират“ значително повече“ – и не само на повърхността, но и в дълбочина и това определя измененията на обема му.
… а обувката всъщност контактува в много малка площ. Заради грапавините на обичайния лед и текстурата на повечето практически достъпни повърхности имаме същия ефект като кънките, с изключение на направляващите сили – неравностите на подметката не си правят улей, защото са плитки и тъпи. Изобщо, да се направят добре пасващи повърхности не е проста работа и половината металургия само с това се занимава, с променлив успех. Самостоятелно замръзналият лед определено не се класира високо като гладкост. Ако човек търка дърво върху стомана, тези грапавини му пречат да го търка, докато при леда е обратното. Хубава илюстрация е опитът да се търкат две парчета лед, колкото си искате гладки или не. Такъв опит не стига далече, те срастват.
Като става студено, ледът значително по-рано става не-хлъзгав за обувки и чак после – за кънки. А пък някъде при -30 вибрациите на молекулите намаляват толкова, че обемът му става равен на най-плътната възможна вода и оттам надолу колкото и да го натискаш, той хлъзгав не е. Замърсяванията и примесите леко местят тези температури.
Изкуственият сняг:
преди всичко той е доста по-плътен от естествения, защото се получава от замръзващи капки, а не изпарения. След като в единица обем има повече лед – ще се чака по-дълго да се стопи, защото притокът на топлина е все същият. Химикалите в него са призвани не толкова да повишат температурата на топене (няма такива вещества, всички я понижават), а да улеснят разпръскването на водата в апарата за сняг, за да се получи все пак някакво разумен обем сняг с някакво разумно количество вода.
А, забравих да попитам: а какви са тия микроскопи, които виждат вибрацията на водните молекули в кристалната решетка? Напреднала е науката, ей…
Ето ви сега и още една загадка за гуми:
Старите гуми постепенно се втвърдяват и това влошава качествата им, но идва един момент от стареенето им, когато те изведнъж почват да работят по-добре от нови зимни гуми – ако дотогава не са напълно износени. Какво става?
Ето хубава статия по темата: http://lptms.u-psud.fr/membres/trizac/Ens/L3FIP/Ice.pdf
Ето и още една, която е написана по-„потребителски“: http://www.nytimes.com/2006/02/21/science/21ice.html?pagewanted=all
А за престарелите гуми – не съм чувал нищо подобно и не знам. Може да има нещо свързано с конците, но никога не бих карал с подобни гуми, на които те са излезли отвън.
П.П. „Всички вещества повишават температурата на топене“? Ами за амониевата селитра например какво ще кажеш?
Хубави са статиите, но от това, че са разгледали въпроса по-дълбоко, същността му не се променя. Имаме течен слой по неравностите, създаден от натиска и от топлината на триене (ледът не е много топлопроводим). Това за топлината на триене даже много лесно се вижда – ако почнеш да се пързаляш по-бавно, идва момент, когато ледът те „захваща“ – топлината на триене не успява да стапя леда по връхчетата. А че течния слой бил „вътрешен за леда“ е въпрос на геометричните мащаби, в които го разглеждат. Ясно е, че веднъж получена, течната фаза мигрира в падинките по силата на повърхностните напрежения, които в този мащаб са решаваща сила. После от нея прорастват кристали, както си знаят и пак имаме грапавинки.
Престарелите гуми просто започват да се напукват по повърхността, оставайки разумно еластични в дълбочина. Тези пукнатини играят същата роля като ламелите на зимните гуми, понякога даже и по-добре. Открих го по трудния начин – смених преди няколко години ВлИ-5 made in USSR (стари, напукани, но неизносени) с ВлИ-5, произведени същата година. Е няма такава пързалка, ВлИ-5 всъщност са безполезни на сняг/лед, докато не изкарат 5-6 лета на слънце.
Ако се покажат конците, и аз не бих ги използвал доброволно, но ВлИ-5 на Нива трудно доживяват този момент. Човек ги сменя, защото го е срам, а не защото нямат грайфери.
За амониевата селитра ще кажа само добри думи – спасила е не една и две бири от стопляне, без това да я направи негодна за земеделски цели. Това не променя факта, че веднъж разтворена във водата, понижава температурата на замръзване/топене. За това понижение решаващ е броят чужди частици във водата, а естеството им няма отношение – това молекули, йони, колоидни частици – всички се броят еднакво. Както впрочем и за осмотичното налягане (явленията са свързани).
Нямам как да споря повече – слаб химик съм и тук е редно да спра, преди да се излагам още повече.
Вече следва въпрос: има ли възможност да се създаде слой над снега, който да отразява слънчевите лъчи и да пречи на топенето?
Самият сняг почти идеално се справя със задачата, отразявайки над 80% от лъчите. Решаващият приток на топлина за топенето на снега е от топлообмена с въздуха. Поради това, бързото топене на снеговете става като задуха топъл вятър, а иначе слънцето може да си пече, пече и нищо да не направи. На този топлообмен трудно ще повлияем, ако искаме и да се пързаляме.