É mais fácil escorregar em um piso suavemente polido do que em um piso comum. Parece que a mesma coisa deveria acontecer com o gelo, ou seja, o gelo liso deveria ser mais escorregadio do que o gelo irregular e áspero.

Mas se você já puxou um trenó carregado sobre uma superfície de gelo irregular e acidentada, poderá ver que, ao contrário das expectativas, o trenó deslizou visivelmente mais facilmente em tal superfície do que em uma superfície lisa. O gelo áspero é mais escorregadio do que o gelo liso como um espelho!

Isto é explicado pelo fato de que o escorregamento do gelo não depende principalmente da suavidade, mas de uma razão muito especial: o fato de que a temperatura de derretimento do gelo diminui com o aumento da pressão.

Vejamos o que acontece quando andamos de trenó ou patinamos no gelo. Quando patinamos, descansamos em uma área muito pequena, de apenas alguns milímetros quadrados. E essa pequena área é inteiramente pressionada pelo peso do nosso corpo. Se você se lembrar do que foi dito no Capítulo Dois sobre pressão, entenderá que o patinador pressiona o gelo com força considerável. Sob alta pressão, o gelo derrete a uma temperatura mais baixa; se, por exemplo, o gelo tiver uma temperatura de -5°, e a pressão dos patins tiver reduzido o ponto de fusão do gelo pisoteado pelos patins em mais de 5°, então essas partes do gelo derreterão [Teoricamente, pode-se calcular que para diminuir o ponto de fusão do gelo em 1° é necessária uma pressão bastante significativa de 130 kg por centímetro quadrado. Será que um trenó ou um patinador exercem uma pressão tão grande sobre o gelo? Se você distribuir o peso do trenó (ou patinador) na superfície dos corredores (ou patins), obterá números muito menores. Isso prova que nem toda a superfície do corredor está intimamente adjacente ao gelo, mas apenas uma pequena parte dele]. O que acontece?

Agora há uma fina camada de água entre os patins dos patins e o gelo, por isso não é surpreendente que o patinador deslize. E assim que ele mover as pernas para outro lugar, a mesma coisa acontecerá lá. Em todos os lugares sob os pés do patinador, o gelo se transforma em uma fina camada de água. De todos os corpos existentes, apenas o gelo possui tais propriedades; um físico soviético chamou-o de “o único corpo escorregadio da natureza”. Outros corpos são lisos, mas não escorregadios.

[O cálculo teórico assume que tanto o gelo quanto a água estão sob a mesma pressão quando derretem. O autor descreve exemplos em que a água formada durante a fusão está à pressão atmosférica. Neste caso, é necessária menos pressão para diminuir o ponto de fusão do gelo. - Aproximadamente. ed.]

Agora podemos voltar à questão de saber se o gelo liso ou áspero é mais escorregadio. Sabemos que a mesma carga pressiona com mais força quanto menor for a área sobre a qual ela repousa. Em que caso uma pessoa exerce mais pressão sobre o suporte: quando está em gelo liso como um espelho ou em gelo áspero? É claro que no segundo caso: afinal, aqui ele repousa apenas sobre algumas saliências e tubérculos da superfície rugosa. E quanto maior a pressão sobre o gelo, mais abundante é o derretimento e, conseqüentemente, o gelo mais escorregadio (se apenas o patim for largo o suficiente; para um patim estreito que corta os tubérculos, isso não é aplicável - a energia de movimento é gasto aqui para cortar os tubérculos).

A redução do ponto de fusão do gelo sob pressão significativa também explica muitos outros fenômenos da vida cotidiana. Graças a esta característica do gelo, pedaços individuais de gelo congelam juntos se forem pressionados com força. Um menino, apertando pedaços de neve nas mãos enquanto joga bolas de neve, inconscientemente aproveita justamente essa propriedade dos grãos de gelo (flocos de neve) de congelarem juntos sob pressão aumentada, o que diminui sua temperatura de derretimento. Ao rolar uma bola de neve para uma “mulher da neve”, aproveitamos novamente a característica indicada do gelo: os flocos de neve nos pontos de contato, na parte inferior da bola, congelam juntos sob o peso da massa que os pressiona. Você entende agora, é claro, por que em geadas severas a neve forma bolas de neve esfareladas e o “baba” não se forma bem. Sob a pressão dos pés dos transeuntes, a neve nas calçadas gradualmente se compacta em gelo: os flocos de neve congelam em uma camada contínua.

Problema de gelo

Você já se perguntou como são formados os pingentes de gelo que frequentemente vemos pendurados nos telhados?
Em que clima se formaram os pingentes de gelo: durante um degelo ou uma geada? Se houvesse um degelo, como a água poderia congelar em temperaturas acima de zero? Se estiver frio, de onde poderá vir a água do telhado?
Você vê que a tarefa não é tão simples quanto parece à primeira vista. Para que se formem pingentes de gelo, é necessário ter duas temperaturas ao mesmo tempo: para derreter - acima de zero e para congelar - abaixo de zero.

Na verdade, isso é verdade: a neve na encosta do telhado derrete porque os raios do sol a aquecem a uma temperatura acima de zero, e as gotas de água que fluem na borda do telhado congelam porque a temperatura aqui está abaixo de zero. (Claro, não estamos falando do caso da formação de pingentes de gelo, que é causada pelo calor da sala aquecida sob o telhado.)

Arroz. 87. Os raios do sol aquecem mais um telhado inclinado do que a superfície horizontal da terra
(os números indicam o tamanho dos ângulos).

Imagine esta foto. Dia limpo; a geada é de apenas 1 a 2 graus. O sol inunda tudo com seus raios; entretanto, esses raios oblíquos não aquecem a terra o suficiente para que a neve derreta. Mas na inclinação do telhado voltado para o Sol, os raios não incidem de forma plana, como no solo, mas de forma mais acentuada, em um ângulo mais próximo de uma linha reta. Sabe-se que quanto maior o ângulo que os raios fazem com o plano em que incidem, maior será a iluminação e o aquecimento dos raios. (O efeito dos raios é proporcional ao seno deste ângulo; para o caso mostrado na Fig. 87, a neve no telhado recebe 2,5 vezes mais calor do que uma área igual de neve em uma superfície horizontal, porque o seno de 60° é 2,5 vezes maior que o seno de 20° vezes.) É por isso que a inclinação do telhado aquece mais e a neve pode derreter. A água descongelada desce e fica pendurada em gotas na borda do telhado. Mas sob o telhado a temperatura está abaixo de zero e a gota, resfriada pela evaporação, congela. A próxima gota flui para a gota congelada, também congelando; depois a terceira gota, etc.; um pequeno tubérculo gelado se forma gradualmente. Outra vez, no mesmo clima, esses fluxos de gelo se alongam ainda mais e, como resultado, formam-se pingentes de gelo que crescem como estalactites calcárias em cavernas subterrâneas. É assim que os pingentes de gelo aparecem nos telhados dos celeiros e em salas geralmente sem aquecimento.

O mesmo motivo provoca fenômenos ainda mais grandiosos diante de nossos olhos: afinal, a diferença nas zonas climáticas e nas estações se deve em grau significativo [Mas não inteiramente: outro motivo importante é a duração desigual do dia, ou seja, o período de tempo durante o qual o Sol aquece a Terra. Ambas as razões, entretanto, se devem a um fato astronômico: a inclinação do eixo da Terra em relação ao plano da revolução da Terra em torno do Sol] e uma mudança no ângulo de incidência dos raios solares. O sol está quase à mesma distância de nós no inverno e no verão; está igualmente distante dos pólos e do equador (as diferenças de distância são tão insignificantes que não importam). Mas a inclinação dos raios solares para a superfície da Terra perto do equador é maior do que nos pólos; no verão esse ângulo é maior que no inverno. Isso provoca diferenças perceptíveis na temperatura do dia e, consequentemente, na vida de toda a natureza.

Todo mundo sabe que o gelo é escorregadio, mas por que o gelo é escorregadio- nem todos saberão explicar.

O atrito entre o gelo e o aço do patim gera calor

O gelo derrete sob pressão

Um cientista inglês argumentou que gelo escorregadio porque tem a notável capacidade derreter sob pressão- derretido.

O patinador é pesado e a superfície escorregadia do patim é pequena,

Este cientista falou. -

Sob forte pressão, o gelo derrete e descongela ligeiramente. Uma fina película de água se forma entre a superfície deslizante do patim e o gelo. Essa água atua como lubrificante natural e torna o gelo escorregadio.

Esta explicação foi considerada geralmente aceita e correta por muito tempo. Isso foi impresso em livros antigos e livros populares. Mas esta explicação acabou por não ser totalmente correta. De fato, uma película de água se forma entre a superfície do gelo e os patins, mas não pode ser obtida apenas pela pressão, mesmo que você coloque um elefante nos patins.

Fricção gera calor

O erro foi explicado por um cientista soviético VB Weinberg. Não só adultos e pessoas gordas e com peso considerável patinam. Este é um passatempo favorito das crianças. Deslizam perfeitamente sobre os patins, embora a pressão que exercem sobre o gelo seja muito pequena. Se o gelo sob a cordilheira realmente derretesse sob pressão, seria possível patinar no rinque de patinação apenas a uma temperatura não superior a um grau abaixo de zero.

Esse calor derrete o gelo e a película de água resultante cria lubrificação e facilita a movimentação do patinador. Durante geadas muito severas, o calor desenvolvido pela fricção não é mais suficiente para derreter o gelo sob a crista. Aí fica desagradável patinar na pista de patinação - os atletas dizem que o gelo está “seco”.

Por que o gelo é escorregadio?

É mais fácil escorregar em um piso suavemente polido do que em um piso comum. Parece que a mesma coisa deveria acontecer no gelo, ou seja, suave o gelo deve ser mais escorregadio do que o gelo irregular e áspero.

Mas se você já puxou um trenó carregado sobre uma superfície de gelo irregular e acidentada, poderá ver que, ao contrário das expectativas, o trenó deslizou visivelmente mais facilmente em tal superfície do que em uma superfície lisa. O gelo áspero é mais escorregadio do que o gelo liso como um espelho! Isto é explicado pelo fato de que o escorregamento do gelo não depende principalmente da suavidade, mas de uma razão muito especial: o fato de que a temperatura de derretimento do gelo diminui com o aumento da pressão.

Vejamos o que acontece quando andamos de trenó ou patinamos no gelo. Quando patinamos, descansamos em uma área muito pequena, de apenas alguns milímetros quadrados. E essa pequena área é inteiramente pressionada pelo peso do nosso corpo. Se você se lembrar do que foi dito no Capítulo Dois sobre pressão, entenderá que o patinador pressiona o gelo com força considerável. Sob alta pressão, o gelo derrete a uma temperatura mais baixa; se, por exemplo, o gelo tiver uma temperatura de -5°, e a pressão dos patins baixar o ponto de fusão do gelo pisoteado pelos patins em mais de 5°, então essas partes do gelo derreterão. O que acontece? Agora há uma fina camada de água entre os patins dos patins e o gelo, por isso não é surpreendente que o patinador deslize. E assim que ele mover as pernas para outro lugar, a mesma coisa acontecerá lá. Em todos os lugares sob os pés do patinador, o gelo se transforma em uma fina camada de água. De todos os corpos existentes, apenas o gelo possui tais propriedades; um físico soviético chamou-o de "o único corpo escorregadio da natureza". Outros corpos são lisos, mas não escorregadios.

Agora podemos voltar à questão de saber se o gelo liso ou áspero é mais escorregadio.

Sabemos que a mesma carga pressiona com mais força quanto menor for a área sobre a qual ela repousa.

Em que caso uma pessoa exerce mais pressão sobre o suporte: quando está em gelo liso como um espelho ou em gelo áspero? É claro que no segundo caso: afinal, aqui ele repousa apenas sobre algumas saliências e tubérculos da superfície rugosa. E quanto maior a pressão sobre o gelo, mais abundante será o derretimento e, portanto, o gelo mais escorregadio (se apenas o corredor for largo o suficiente; para um corredor estreito de patins que corta os tubérculos, isso não é aplicável - o a energia do movimento é gasta aqui para cortar os tubérculos).

A redução do ponto de fusão do gelo sob pressão significativa também explica muitos outros fenômenos da vida cotidiana. Graças a esta característica do gelo, pedaços individuais de gelo congelam juntos se forem pressionados com força. Um menino, apertando pedaços de neve nas mãos enquanto joga bolas de neve, inconscientemente aproveita justamente essa propriedade dos grãos de gelo (flocos de neve) de congelarem juntos sob pressão aumentada, o que diminui sua temperatura de derretimento. Ao rolar uma bola de neve para uma “mulher da neve”, aproveitamos novamente a característica indicada do gelo: os flocos de neve nos pontos de contato, na parte inferior da bola, congelam juntos sob o peso da massa que os pressiona. Você entende agora, é claro, por que em geadas severas a neve forma bolas de neve esfareladas e o “baba” não molda bem. Sob a pressão dos pés dos transeuntes, a neve nas calçadas gradualmente se compacta em gelo: os flocos de neve congelam em uma camada contínua.

A primeira resposta que vem à mente é porque é suave. Na verdade, a ausência de danos e rugosidade reduz o atrito entre as superfícies. No entanto, é o gelo, e não a superfície sintética mais econômica, que ainda é usado para patinar.

O lubrificante reduz significativamente o atrito entre as superfícies. Na engenharia mecânica são óleos industriais, na culinária - gorduras vegetais e animais, e na patinação no gelo - água. No entanto, todo mundo conhece a temperatura de congelamento da água - é 00C, e você pode patinar a -100C ou -200C. Parece que não há lugar de onde venha a água.

Às vezes, o aparecimento de uma fina película de água na superfície do gelo é explicado pela grande pressão dos corredores no gelo. Com efeito, sob os patins de um adulto com cerca de 70 kg, cria-se uma pressão 15 vezes superior à pressão atmosférica. No entanto, mesmo tal esforço pode derreter o gelo apenas a uma temperatura de -0,10C.


Outra versão comum explica o aparecimento de água na superfície do rinque de patinação devido à força de atrito quando os corredores se movem no gelo. Mas esta teoria não explica por que escorregamos mesmo quando tentamos permanecer no lugar. O atrito não ocorre nesses momentos, mas mesmo assim existe uma camada de água.

Uma explicação racional foi obtida apenas no final da década de 90 do século XX por meio da microscopia AFM (microscopia de relevo de superfície). Os cientistas descobriram que a velocidade de vibração das moléculas de gelo localizadas perto da superfície é 100.000 vezes maior que a velocidade de vibração nas camadas internas. Isso leva ao fato de que a superfície do gelo não possui mais uma estrutura cristalina clara e sua estrutura lembra mais um líquido do que um sólido.


Acontece que mesmo em temperaturas muito baixas existe uma fina película de água na superfície do gelo, tornando-o escorregadio. Mas quanto mais baixa a temperatura ambiente, pior é o deslizamento, porque a camada de água fica cada vez mais fina.

Assim, a 50C a espessura do filme de água é de cerca de 100 nanômetros (ou seja, um décimo milésimo de milímetro), a -350C é de cerca de 10 nm e a -1700C uma camada de água com apenas uma molécula de espessura é formada. Patinar nessas condições seria bastante problemático.

A primeira vez que você pisa em uma pista de gelo, você o faz com medo de cair. Mas o que torna o gelo tão escorregadio? É interessante o que os cientistas dizem.

Os físicos acreditavam que o gelo era escorregadio devido à força do corpo. Esta pressão, que teorizam, aumenta o ponto de fusão da camada superior de gelo.

Quando uma pessoa patina no gelo, a pressão causada pela lâmina metálica dos patins faz com que o gelo derreta. Esta fina camada de água permite que o patim deslize suavemente pela superfície. Depois que o gelo passa, a pista congela novamente.

No entanto, a maioria dos cientistas argumenta que esta teoria está errada. O gelo é um corpo misterioso, diz Robert M. Rosenberg, professor de química na Lawrence University.

Os pesquisadores descobriram que a pressão que reduz o ponto de fusão do gelo é apenas um pequeno aumento de grau. Em vez disso, eles propuseram que a fricção do patim faz com que o gelo por baixo derreta.

Outros acreditam que o gelo possui naturalmente uma camada de líquido instável. Embora essas moléculas busquem estabilidade, elas se movem caoticamente pela superfície do gelo e criam uma camada escorregadia.

Porque é que a água quente congela mais rapidamente?

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura, acha que é um bom mistério o motivo pelo qual a água quente congela mais rápido do que a água fria. Este fenômeno, que parece completamente ilógico, já foi percebido pelo próprio Aristóteles. Ele disse que alguns moradores do que hoje é a Turquia borrifaram as tábuas de suas cercas com água quente, nas quais era impossível escalar, porque assim congelavam mais rápido.

No entanto, só na década de 70 é que lhe foi dado um nome, efeito Memba. Erasto B. Memba, que aprendeu na escola que a mistura de sorvete quente congela mais rápido.

Mas até agora os cientistas não conseguiram encontrar uma explicação satisfatória. Eles acreditam que isso tem a ver com a forma como a energia é armazenada nas ligações de hidrogênio entre as moléculas de água.

Como você sabe, as moléculas de água possuem um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio, todos conectados por ligações covalentes (troca de elétrons).

Nas moléculas de água, os átomos de hidrogênio também são atraídos pelos átomos de oxigênio em outras moléculas de água próximas. Isso é chamado de ligação de hidrogênio. Mas, ao mesmo tempo, as moléculas de água geralmente se repelem.

Os autores do estudo observam que quanto mais a água é aquecida, maior é a distância entre as moléculas devido à força repulsiva entre elas. Isso faz com que as moléculas de hidrogênio se estiquem para que a energia seja conservada. Essa energia, segundo os pesquisadores, é liberada quando a água esfria, permitindo que as moléculas se aproximem.

A água quente tem mais ligações de hidrogênio do que a água fria. Portanto, armazena mais energia e libera mais quando exposto a temperaturas abaixo de zero. É por isso que, dizem os pesquisadores, ela congela mais rápido que a água fria.