Achtung Glatteis!

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animals-2000585_1280Die Enten sind zu Lande, zu Wasser und in der Luft unterwegs, aber sie verzichten auf Kufen – vielleicht wissen es besser (Bild: Gellinger, pixabay). Wer es nicht so gut weiß, sind die Menschen, die an die Story von den gleitenden Kufen glauben, unter deren Druck das Wasser schmilzt. 

Das entnimmt man dem Physik Journal. Demnach ist der Effekt der Druckaufschmelzung äußerst gering. Die dünnen Kufen bringen zwar hohen Druck aufs Eis, aber das schmizt dadurch fast gar nicht. Wäre es anders, müsste der Eisläufer beim Stehenbleiben schnell in einer Eispfütze stehen. Der Artikel zitiert die Gleichung von Clausius-Clapeyron. Nach dieser Gleichung sinkt der Schmelzpunkt des Eises nur um 0,0077 Grad pro bar. Beispiel: Der Eisläufer wiegt 75 kg, die Kufen bringen 6 cm2 aufs Eis. Daraus ergibt sich ein Druck von ( 75 kg * 9,81 m/s2 ) / 10 * 6 cm2 ) = 12,3 bar, und damit ein Schmelzpunkt, der um 0,09 Grad niedriger liegt.

D.h. schon bei Eistemperaturen ab -0,1 Grad wäre kein Eislaufen mehr möglich.

Ist es aber doch, und das liegt an der Reibungswärme. Die leistet den größten Beitrag zur Eisschmelze. Der Artikel gibt für einen typischen Eisläufer bis zu 12 mm2 aufgeschmolzenes Eis an, das einen Wasserfilm von 0,04 mm Dicke erzeugt. Durch das seitliche Entweichen wird der Film sogar noch dünner. Je schneller die Kufen gleiten, desto geringer die Wärmeverluste und damit auch die Reibung.

Doch auch das ist nicht die ganze Erklärung. Schließlich rutscht es sich auch ohne Kufen ganz formidabel. Wer mal auf Eis geschliddert ist, kann das bestätigen. Dort ist nämlich eine wässerige Schmierschicht vorhanden, und zwar unabhängig von Gewicht, Temperatur und Bewegung. Seit den 1990er Jahren kann der Wasserfilm durch Versuche mit intensivem Röntgenlicht nachgewiesen werden.

Demnach ist das Eis immer mit einem wenige Moleküle dicken flüssigen Film überzogen. Die Wassermoleküle in der regelmäßigen Kristallstruktur des Eises verlieren an der Grenze zur Luft ihren Zusammenhalt und lassen sich leicht gegeneinander verschieben. Das heißt nicht, dass sie sich in der flüssigen Phase befinden, denn wenn man einen Eisklotz neigt, fließt kein Wasser ab. Es ist nur so, dass der Zusammenhalt der Moleküle per Wasserstoffbrücken in dem Film stärker ist als in der flüssigen Phase. Das macht den Film zu einer speziellen festen Phase.

Der Artikel beschreibt die Tricks, mit denen die Röntgendiffraktion zum Nachweis dieser Verhältnisse einsetzbar gemacht wurde. Ergebnis: Bei -38 Grad lockert sich die erste Molekülschicht. Bei -16 Grad die zweite, und beim Nullpunkt erreicht die quasi-flüssige Schicht bis zu 50 nm. Sie bedeckt das Eis ungleichmäßig, sie bildet scheibenförmige Nässezonen und runde Tröpfchen.

Was passiert, wenn nun der Eisläufer kommt, lässt sich schwer erforschen. Theoretische Annahmen führen zu der Annahme, dass die Kontaktfläche mit einer dünnen, quasi-flüssigen Wasserschicht bedeckt ist, die kaum Scherkräfte zulässt. Eine nanometerdicke Schicht reicht aus, um die bremsenden Scherkräfte zu minimieren. Diese Erkenntnis soll für die Optimierung von praktischen Anwendungen außerhalb des Sports eingesetzt werden (auf solche Anmerkungen legen wissenschaftliche Autoren großen Wert).

Im übrigen ist es bei Gletschern ganz anders. Die rutschen wirklich auf der Flüssigkeitsschicht, die sie durch ihr Gewicht erzeugen.

Und die Enten (und Gänse)? Die könnten nach dem Gesagten durchaus skaten, wenn sie die Ausstattung dafür hätten. Vielleicht gibt's schon Polarenten oder so, die das können? Das wäre Rekord: fliegen, laufen, schwimmen, tauchen (& surfen sowieso) – und dann noch skaten.

 

Medien-Link:

Aufs Glatteis geführt (Physik Journal 1/18 mit Zahlsperre): Über die Physik des Eislaufens ist viel geschrieben worden – auch in renommierten Lejrbüchern. Vieles davon ist falsch oder zumindest unvollständig.

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