Julkaistu Tiede-lehdessä 2/2013

Yksinkertainen kysymys kiusaa fyysikoita.

Miksi jää on liukasta luistimien alla? Luulisi, että fyysikot olisivat löytäneet tähän talviklassikkoon vastauksen jo ajat sitten, mutta ei. Pitkään kyllä luultiin, että ilmiö olisi selittynyt peruskoulufysiikalla.

Moniin oppikirjoihin päätyneen vanhan selityksen mukaan paine luistimen alla laskisi jään sulamispistettä ja jään pinnalle syntyvä ohut vesikerros toimisi liukasteena. Koska sulavesikerros on tämän paineteorian mukaan hyvin ohut, se jäätyy pian uudestaan eikä ole paljain silmin nähtävissä.

Teoria on periaatteessa järkevä. Se kaatuu vasta, kun sitä koetellaan todellisilla luvuilla. Normaalipainoisen luistelijan tavanomaisten luistimien paineen alla jään sulamispiste nimittän laskee vain asteen sadasosia. Jää on liukasta myös kenkien alla, vaikka paine jää silloin tietysti vielä paljon pienemmäksi.

Sisältö jatkuu mainoksen jälkeen

Jäällä aina nestettä?

Yhdysvaltalainen kemian emeritusprofessori Robert Rosenberg vertaili vuonna 2005 Physics Today -lehdessä kahta vaihtoehtoista teoriaa.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Kitkateorian mukaan kitka jään ja luistimen tai kengänpohjan välissä sulattaa jään pintakerroksen aivan kuten paineteoriassakin.

Toisen vaihtoehdon, nesteteorian, mukaan jään pinta on luonnostaan liukas. Ajatuksena on, että jään pinnan vesimolekyylit värähtelevät enemmän, koska niiden päällä ei ole toisia vesimolekyylejä pitämässä niitä paikallaan. Nämä molekyylit pysyvät siksi nesteenä kovassakin pakkasessa.

Nesteteoriaa tuki jo vuonna 1996 tehty koe, jossa yhdysvaltalaistutkija Gabor Somorjai pommitti jään pintaa elektroneilla. Ne kimposivat takaisin tavalla, joka muistutti nestettä. Myöhemmin saksalaistutkijat toistivat kokeen heliumatomeilla. Ne vahvistivat käsitystä, että jäällä on luonnostaan ohut nestepinta.

Toisaalta vuonna 2002 Somorjain kollega Miquel Salmeron ja hänen työryhmänsä tekivät kokeen atomivoimamikroskoopilla. He raaputtivat jään pintaa mikroskoopin pienellä ja terävällä kärjellä ja huomasivat, että jäällä oli erittäin suuri kitka. Se ei ollut alkuunkaan liukasta. Miten tämän kaiken selittäisi?

Kitkalämpö sulattaa

Jään kitkaa tutkineen diplomi-insinööri Maria Tikanmäen mukaan ohut nestettä muistuttava pinta on olemassa, kun jää on lämpimämpää kuin –15 astetta. Se ei selitä liikekitkahavaintoja mutta voi vaikuttaa lepokitkan suuruuteen.

– Jäätutkijat ovat käsittääkseni kohtalaisen yksimielisiä siitä, että kitkan aiheuttama lämmitys on oleellinen tekijä jään liukkaudessa, sanoo Tikanmäki, joka on VTT:ssä perehtynyt jäähän kitkatutkija Lasse Makkosen kanssa. – Yksityiskohdista on kuitenkin erilaisia näkemyksiä.

Tikanmäen mukaan paineteoriakaan ei ole täysin väärä. Luistimen tai kengän ja jään todellinen kontaktipinta on nimittäin paljon pienempi kuin koko terä tai pohja, mikä kasvattaa painetta.

– Uuden teoriamme mukaan paine­sulamista voi esiintyä, kun lämpötila on

–2–0 astetta. Jää on kuitenkin liukasta myös tätä kylmemmässä.

Perusajatus Makkosen ja Tikanmäen teoriassa on, että jään ja esimerkiksi luistimen välissä syntyy kitkalämmitystä, joka sulattaa kontaktipintaan vesikerroksen, kun jää on riittävän lähellä sulamispistettä. Tällöin kitkavoima syntyy vesikerroksen viskoosista vastuksesta.

– Riittävän kylmässä ja hitailla no­peuk­silla jään kitka muuttuu kuivaksi, kun kitkan lämmittävä vaikutus ei riitä sulattamaan jäätä, Tikanmäki kertoo. Tällöin jään kitka muistuttaa tavallisen kiinteän aineen kitkaa ja mallintuu Lasse Makkosen kehittämällä kuivan kitkan teorialla (ks. Kitka sai vihdoin selityksen, Tiede 10/2012 tai tiede.fi/arkisto)

Vastaaja:


Marko Hamilo


Tiedetoimittaja

Sisältö jatkuu mainoksen alla