Mengapakah Ais Licin?

Permukaan ais boleh mempunyai pekali geseran yang sangat rendah, terutama dalam keadaan yang sesuai untuk gelinciran. Penjelasan popular mengatakan bahawa tekanan tapak kasut atau bilah kasut luncur mencairkan ais lalu menghasilkan lapisan air. Tekanan memang boleh mempengaruhi takat lebur ais, tetapi penjelasan itu sahaja tidak mencukupi. Eksperimen dan kajian permukaan menunjukkan bahawa fizik sebenar melibatkan keadaan luar biasa pada permukaan ais serta haba yang terhasil apabila dua permukaan bergeser, dan gabungan inilah yang menentukan geseran ais.

Permukaan ais tidak sama dengan bahagian dalamnya

Molekul air di dalam kristal ais dikelilingi oleh molekul lain yang tersusun membentuk struktur pepejal. Molekul di permukaan berada dalam persekitaran yang berbeza kerana susunan kristal tidak lagi berterusan pada satu sisinya. Akibatnya, lapisan permukaan boleh mempunyai susunan yang lebih tidak teratur dan molekul yang lebih mudah bergerak berbanding dengan molekul di bahagian dalam kristal. Pembentukan lapisan permukaan seperti cecair sebelum seluruh pepejal mencapai takat leburnya dinamakan prapeleburan permukaan (surface premelting).

Kajian ulasan dalam Nature Reviews Chemistry menunjukkan bahawa ais mempunyai lapisan kuasi-cecair pada permukaannya yang boleh wujud di bawah takat lebur pukal. Struktur dan ketebalan lapisan ini berubah mengikut keadaan seperti suhu, dan sifat mikroskopiknya masih menjadi bidang penyelidikan aktif. Oleh itu, membayangkan seketul ais sebagai kristal seragam yang berakhir pada sempadan keras dan kering ialah model yang terlalu mudah.

Apakah maksud kuasi-cecair?

Kuasi-cecair tidak bermaksud terdapat tasik air biasa yang sentiasa meliputi semua ais. Istilah ini merujuk kepada lapisan antara muka yang susunan dan pergerakan molekulnya lebih menyerupai cecair berbanding dengan kristal ais pukal, tetapi sifatnya tidak semestinya sama dengan air pukal.

Eksperimen geseran pada ais mendapati bahawa lapisan pelincir yang terbentuk ketika gelinciran boleh mempunyai sifat aliran yang berbeza daripada air biasa. Kajian yang dilaporkan dalam Physical Review X dan dibincangkan dalam Nature mendapati lapisan itu boleh menjadi jauh lebih likat daripada air pukal kerana ia mengandungi campuran air dan serpihan ais berskala nano. Frasa "ada air di atas ais" berguna sebagai permulaan, tetapi tidak cukup tepat untuk menerangkan semua keadaan.

Geseran sendiri boleh menghasilkan haba

Apabila kasut, tayar, ski atau bilah kasut luncur bergerak di atas ais, terdapat geseran pada kawasan sentuhan. Geseran memindahkan sebahagian tenaga mekanik kepada tenaga dalaman, dan jika haba tertumpu pada antara muka, sebahagian ais boleh mencair lalu menambah lapisan pelincir. Kajian geseran ais menunjukkan bahawa pada keadaan tertentu, terutama apabila suhu tidak terlalu jauh di bawah takat lebur dan kelajuan gelinciran mencukupi, pemanasan geseran boleh menghasilkan filem air yang mengurangkan geseran. Namun sumbangan pemanasan geseran bergantung pada keadaan sentuhan, dan geseran yang rendah juga boleh berlaku melalui mekanisme permukaan yang tidak menjadikan pemanasan geseran sebagai punca utama.

Namun hubungan ini bukan sekadar "lebih laju sentiasa lebih licin". Pada keadaan yang berlainan, ubah bentuk ais, kekasaran permukaan, pembentukan serpihan dan aliran lapisan pelincir turut mempengaruhi daya geseran.

Bagaimana pula dengan tekanan?

Tekanan memang boleh menurunkan takat lebur ais biasa dalam julat tekanan tertentu, dan inilah asas penjelasan klasik tentang peleburan tekanan. Namun kesannya berhampiran 0 °C agak kecil. Kajian mekanik kasut luncur menganggarkan perubahan takat lebur ais sekitar -0.074 °C bagi setiap MPa berhampiran 0 °C, dan tekanan juga tidak dengan sendirinya menyediakan semua haba pendam yang diperlukan untuk mencairkan ais. Maka dakwaan bahawa bilah menekan ais, ais mencair, dan itulah sebabnya kita boleh meluncur, tidak boleh dijadikan penjelasan tunggal.

Tekanan setempat masih boleh memainkan peranan, terutama pada titik sentuhan kecil yang menanggung tekanan tinggi. Terdapat eksperimen yang menunjukkan bahawa peleburan tekanan boleh berlaku pada asperiti atau kawasan sentuhan tertentu, tetapi kepentingannya bergantung pada geometri, beban dan keadaan eksperimen.

Mengapa ais yang sangat sejuk terasa kurang licin?

Jika suhu ais turun jauh daripada takat lebur, pembentukan dan sifat lapisan permukaan berubah, dan lebih banyak tenaga diperlukan untuk menghasilkan air lebur melalui geseran. Eksperimen menunjukkan bahawa pekali geseran ais bukan suatu pemalar. Ia berubah dengan suhu dan kelajuan gelinciran. Dalam satu siri pengukuran dari sekitar -110 °C hingga 0 °C, geseran berubah dengan ketara merentasi julat suhu itu dan meningkat semula dalam keadaan tertentu apabila mekanisme seperti pembajakan permukaan menjadi penting.

Hal ini menerangkan mengapa soalan "berapakah pekali geseran ais?" tidak mempunyai satu nilai yang boleh digunakan untuk semua keadaan gelinciran di atas ais. Geseran bergantung pada pasangan permukaan dan keadaan interaksinya, bukan pada ais sahaja.