Ak položíte otázku Prečo je ľad klzký?, mnohí z oslovených budú zaskočení. Je to dosť častá reakcia na otázky týkajúce sa samozrejmých vecí. Pripojte k nej ďalšiu Prečo sa nemožno kĺzať na asfaltovom chodníku? A prvá otázka začína mať zmysel.
Prvé, čo by nám mohlo napadnúť, je, že klzkosť ľadu môže nejako súvisieť s vodou. Vieme, že najlepším spôsobom ako výrazne znížiť trenie medzi dvoma telesami je vytvoriť medzi nimi tenký kvapalný film. Ten znižuje trenie tak, že zabraňuje bezprostrednému kontaktu nerovností ich povrchov.
Je na vine voda?
Možno si tiež spomenieme, že najnebezpečnejší ľad pre chodcov je ten, ktorý sa vytvára pri poľadovici. Vtedy ľad vzniká mrznutím dažďa alebo kvapôčok hmly na podchladenej ceste s teplotou výrazne pod 0 °C. Jeho povrch je istý čas pokrytý tenkou vrstvou vody. Problémom však je, že na ľade pri nízkych teplotách vzduchu vrstvička vody nie je. Jediná možnosť je, že jej vznik je nejako viazaný na bezprostredný kontakt telesa s povrchom ľadu. Tým môže byť napríklad podrážka topánky, hokejový puk alebo nôž korčule. Jedným z vysvetlení je, že voda vzniká v dôsledku tlaku telesa na povrch ľadu. Tak to v mnohých prípadoch určite môže byť. Otázkou je, v akých.
Odpoveď dáva fázový diagram vody. Pripomeňme, že to je ten obrázok, ktorý ukazuje, pri akých teplotách a tlakoch existujú všetky skupenstvá vody. Väčšinou sa však naša pozornosť sústreďuje na čiaru prislúchajúcu premene vody na paru. Vďaka nej vieme presne odpovedať na otázku, pri akej teplote zovrie voda na Lomnickom štíte, alebo pri akom tlaku vrie voda pri teplote 20 °C. Premena ľadu na vodu je však málokedy predmetom záujmu a väčšinou sa oprávnene redukuje na tvrdenie, že jej teplota 0 °C od tlaku vôbec nezávisí. Na diagrame to ukazuje temer kolmá čiara. Je to takmer pravda. To takmer znamená, že k tejto premene dochádza až pri skutočne veľkých tlakoch, keď sa kolmá priamka tejto premeny začína pomaly zatáčať smerom k osi tlakov, teda doľava. Ide o také veľké tlaky, o akých si myslíme, že sa s nimi nestretávame – napríklad sto až tisíc násobky atmosférického tlaku. Pri teplotách veľmi blízkych 0 °C to však môže byť menej. Pri veľmi vysokých tlakoch sa táto krivka začne otáčať doprava.
Tlak korčúľ
Skôr ako zistíme, či môžeme pri našom bežnom styku s ľadom takéto tlaky dosiahnuť, zastavme sa pri podstate tejto premeny. Voda ako chemická látka patrí k tým vzácnym výnimkám, pri ktorých zvýšenie tlaku spôsobuje premenu jej pevného skupenstva na kvapalné. Pri iných látkach je to naopak, pretože zvýšenie tlaku spôsobuje zvýšenie hustoty a pevné látky ju majú takmer vždy väčšiu. Ľad má však hustotu menšiu ako voda. Jedna z možností, kde by sme mohli očakávať topenie sa ľadu v dôsledku vysokých tlakov, je korčuľovanie. Napriek tomu, že tlak noža korčule hokejistu na povrch ľadu možno pomerne ťažko presne vypočítať, určite je značný. Vyplýva z toho, že celá jeho hmotnosť je koncentrovaná na veľmi malú plochu ľadu. Je to preto, že spodná strana noža je tvorená dvomi ostrými hranami oddelenými žliabkom. To znamená, že tlak nemôžeme odvodzovať z celej plochy približne 4 mm širokého noža. Tlak korčule na pevnú tvrdú podložku by určite stačil na topenie ľadu, pretože by bol sústredený iba na niekoľko veľmi malých nerovností oboch styčných plôch. Ľad je však mäkký, triešti sa, hrany korčule v ňom vyrývajú stopu, čím sa styčná plocha zväčšuje. Napriek tomu by väčšinou mala stačiť na topenie sa ľadu pri teplotách veľmi blízkych 0 °C. Odhaduje sa, že tento tlak je približne 30 atmosfér a zodpovedajúci posun teploty topenia je iba necelých 1 °C. (Nech sú už dôvody topenia sa ľadu pod korčuľou akékoľvek, súčasným hokejistom to nestačí a začínajú si pomáhať elektrickým ohrevom, ktorý sa aktivuje pri dotyku s ľadom.)
Stará teória nestačí
Takéto vysvetlenie klzkosti ľadu si získalo ohromnú popularitu. Dokonca až takú, že sa dostalo aj do mnohých učebníc fyziky a nezriedka ho počuť aj v súčasnosti. Pritom je na prvý pohľad jasné, že má iba veľmi obmedzenú platnosť. Ľad je predsa klzký aj pre chodca alebo lyžiara. Ani v jednom prípade nemôže byť o vysokom tlaku ani reči. Okrem toho, korčuľovať sa dá aj na ľade s teplotou -30 °C pri ktorej sú už potrebné tlaky také extrémne, že pri korčuliach vôbec nepripadajú do úvahy. Tlaková teória je stará. Prišiel s ňou už v roku 1866 známy írsky fyzik a geológ John Joly (1857 – 1933). Od neho pochádza aj prvý výpočet tlaku potrebného na topenie sa ľadu pri teplote -3,5 °C. Ten bol asi 500-násobkom atmosférického tlaku. Pretože obmedzenia jeho teórie sú očividné, je dobré zamyslieť sa nad jej prekvapujúcou životnosťou. Jej hlavným zdrojom je asi zúženie problému klzkosti ľadu na korčuľovanie. Ďalším je časté schematické znázorňovanie fázových diagramov vody, ktoré zvyknú byť len jeho malým výsekom. Dôvody zvyčajne vyplývajú z toho, že sú určené na komentovanie nejakého iného javu, ako je tlaková premena ľadu na vodu. Iného typu sú skreslenia, v ktorých sa z pedagogických dôvodov preháňa sklon krivky premeny voda – ľad smerom k osi tlakov. Je za tým snaha poukázať na výnimočnosť tejto premeny. Navyše sa táto čiara často deformuje do podoby nejakej priamkovej závislosti.
Text a foto prof. Ing. Karol Jesenák, CSc.
Prírodovedecká fakulta
Univerzita Komenského v Bratislave
