التزلج على الجليد أمر غير بديهي، لماذا يُسهّل النصل الضيق الانزلاق على الجليد؟ العلم معقد بشكلٍ مدهش، لكن غير المتخصصين في العلوم اكتشفوا التطبيق العملي منذ زمن بعيد.
كيفية التزلج على الجليد
تخيل أن هناك شيئًا كبيرًا،أمامك سطح جليدي مسطح، ويقوم أحدهم بدفعك عليه بسرعة عالية دون سابق إنذار. ماذا ستفعل؟
إذا كنت ترتدي حذاءً عاديًا، بدون مسامير أو شفرات، فستواجه صعوبة بالغة. الجليد سطح ذو احتكاك منخفض جدًا، ولن تتمكن من تغيير مسارك بسهولة دون الانزلاق وربما السقوط.
فيما ستنزلق حتمًا حتى تصطدم بعائق أو تتوقف ببطء، وغالبًا ما يكون ذلك بعيدًا عن نقطة انطلاقك.
لكن إذا وضعت شفرات رفيعة على أسفل حذائك، مثلاً، ارتديت زلاجات جليدية ستكتشف أن الوضع مختلف تمامًا.
طالما أنك قادر على البقاء واقفاً، بحيث تلامس الشفرات الجليد فقط. ستجد أنه يمكنك التحكم في حركتك بسهولة نسبية، ببساطة عن طريق تطبيق قوة من خلال قدميك أو الشفرات على الجليد.
حيث يمكنك زيادة السرعة أو إبطائها أو تغيير الاتجاه حسب رغبتك، ولن تجد نفسك في وضع مشابه لحالة عدم ارتداء الزلاجات الجليدية إلا إذا سقطت أو فقدت السيطرة على زلاجاتك .
قد يبدو الأمر أشبه بالمعجزة، لكن هناك قوانين فيزيائية وراء كل خطوة تخطوها. إليك كيف يعمل كل هذا.
على الأرض، يكون الشكل الأكثر شيوعًا للجليد هو بنية جليدية بلورية سداسية. وهو ما يفسر سبب ظهور التناظر السداسي في رقاقات الثلج عادةً.
بالإضافة إلى شكل هذه البلورات التي تنمو في المختبر على شكل صفيحة على قاعدة.
ما أنواع الجليد؟
هنا على سطح الأرض، عند الضغط الجوي الطبيعي وفي أي مكان تنخفض فيه درجات الحرارة إلى ما دون الصفر. يوجد معظم الجليد الذي ستصادفه بتكوين محدد للغاية، الجليد البلوري السداسي العادي، المعروف أحيانًا باسم الجليد “I h” .
يتكون الجليد، تمامًا مثل الماء، بشكل أساسي من جزيء بسيط جدًا “H₂O ” يحتوي على ذرتي هيدروجين مرتبطتين بذرة أكسجين واحدة، وبزاوية رابطة محددة جدًا بينهما.
فبينما تبلغ زاوية الرابطة في الماء السائل 104.5 درجة بين خطي الربط لكل رابطة OH. فإن هذه الزاوية في الجليد البلوري السداسي العادي تمتد لتشكل شكلًا رباعي الأوجه أكثر مثالية عند 109.5 درجة.
في ظل ظروف درجات الحرارة والضغط المختلفة الموجودة على الأرض وفي أماكن أخرى من الكون. تنشأ احتمالات مختلفة لكيفية ارتباط تلك الجزيئات المختلفة معًا. مما يخلق تنوعًا هائلًا من التكوينات الممكنة. في الوقت الحاضر، يوجد ما يصل إلى 20 طورًا معروفًا للجليد ، بما في ذلك:
- الجليد I h ، وهو جليد بلوري سداسي عادي، وهو الشكل الأكثر شيوعًا للجليد الموجود على سطح الأرض. أو بالقرب منه.
- الجليد I c ، وهو نوع بلوري مكعب من الجليد تترتب ذرات الأكسجين فيه على شكل بنية ماسية.ويظهر غالباً في درجات الحرارة المنخفضة الموجودة في الغلاف الجوي العلوي.
- الجليد غير المتبلور، الذي لا يمتلك بنية بلورية ويتشكل أحيانًا عند الضغط الجوي المحيط.
فكرة التزلج على الجليد
هنا تكمن قوة فكرة التزلج على الجليد. فبدلاً من توزيع قوة الجسم، التي قد تصل إلى 1000 نيوتن للإنسان العادي. على مساحة كبيرة “مساحة القدم”، تقلّص هذه الزلاجات المساحة بشكل هائل، لتصبح مجرد “شفرة” معدنية طويلة ورفيعة.
فإذا كان طول شفرة الزلاجة النموذجية 30 سنتيمترًا حوالي قدم واحدة” وسمكها حوالي 1 مليمتر فقط.
فإن ذلك يولّد ضغطًا يصل إلى 3 ملايين باسكال “نيوتن لكل متر مربع” على الإنسان العادي الذي يضع وزنه على زلاجة واحدة” أي ما يعادل 30 ضعف الضغط الجوي الطبيعي.
فعندما يضع المتزلج العادي وزنه على إحدى زلاجتيه “أو حتى كلتيهما” على الجليد. يتسبب الضغط الإضافي في إذابة الجليد أسفل نصل الزلاجة. وهذا يؤدي إلى سلسلة من الأحداث.
أولاً، تتحول الطبقة العليا من الجليد، وهي الطبقة الملامسة لأحذية التزلج، إلى سائل بمجرد أن تنزلق أحذية التزلج فوقها.
فب الوقت نفسه فإن وجود طبقة رقيقة من الماء السائل المزلق بين الزلاجة فوقها والجليد الصلب تحتها يقلل من احتكاك المتزلج بشكل أكبر.
الماء السائل
كما ناقشنا سابقاً، فإن الماء السائل يملأ العيوب الصغيرة في الجليد، مما يخلق سطحاً أكثر نعومة وأقل احتكاكاً.
فيما بسبب انخفاض حجم الجليد عند ذوبانه وتحوله إلى الحالة السائلة. فإن هذا يخلق “أخدودًا” صغيرًا في الجليد ليتحرك فيه المتزلج.
وأخيراً، عندما تنتهي الزلاجة من المرور فوق الجزء من الجليد الذي ذاب. فإن”الانخفاض المفاجئ في الضغط يتسبب على الفور في إعادة تجميد الماء الذائب، ليصبح جليداً مرة أخرى.
بمعنى آخر، على الرغم من أننا نسميها التزلج على الجليد. إلا أن سبب نجاحها الكبير هو أن المتزلج يتزلج في الواقع فوق طبقة رقيقة من الماء السائل!
لو كان الماء والجليد أقرب إلى المواد الشائعة في الكون، حيث تكون حالتهما الصلبة أكثر كثافة وجزيئاتهما أكثر تماسكًا من حالتهما السائلة. لما نجحت زلاجات الجليد أبدًا.
ضغط المادة الصلبة
في حين إن زيادة الضغط على مساحة رقيقة من السطح ستؤدي ببساطة إلى ضغط المادة الصلبة بدلًا من تحويلها إلى سائل.
هذه هي الخاصية الأساسية، النادرة في الطبيعة، والتي تقتصر على الماء وعدد قليل من المركبات الكيميائية الأخرى. التي تمكّن الضغط العالي الناتج عن تركيز وزن الإنسان على نصل رفيع من إذابة الجليد والانزلاق عليه.
على الرغم من أن التزلج على الجليد بالنسبة لمعظمنا هو مجرد طريقة بسيطة وممتعة لتمضية الوقت خلال فترة الركود الشتوي. إلا أن هناك في الواقع قدراً هائلاً من الفيزياء والكيمياء تعمل هنا.
وأخيرًا كلها تؤدي إلى قدرتك الرائعة على الانزلاق فوق الجليد بمجرد ارتداء الزلاجات.
المصدر: bigthink.