Jää libedus sõltub uisutaja kiirusest, suurusest ja õhutemperatuurist

$content['photos'][0]['caption'.lang::suffix($GLOBALS['category']['lang'])]?>
Kiire uisk peaks jääd vähem kündma ja seega paremini libisema. Autor/allikas: ERR

Küsimus, miks on jää -20 °C kraadi juures libe, aga nii nulli lähedal kui ka madalamatel temperatuuridel karedam, pakkus teadlastele pikalt peamurdmist. Jää hõõrdumist uuel moel uurinud Hollandi teadlased leidsid, et jää libisemise kergus sõltub lisaks jää temperatuurile ka libiseja kontaktrõhust ja kiirusest.

Meie kliimas on populaarsed erinevad kelgutamisviisid, aga jää ei pruugi olla vaid libe. Näiteks on läti keeles jää kirjeldamiseks lausa eraldi sõna slīdamība, mis tähendab umbkaudu "libisetavust" ehk jäisel pinnal libisemise kergust. Ühtlasi annab see eriline sõna mõista, et jää libedus sõltub mitmest tegurist. 

Füüsikud on püüdnud nende vastastikmängu kirjeldada juba vähemalt 160 aastat. Siiani keskenduti selgituse andmisel jää pinna ja libiseva uisu vahele tekkivale veekihile. Paraku ei anna see mudel täit selgust, miks on hõõrdumine jää sulamistemperatuuri ligidal suurem kui kangemate miinuskraadide korral. 

Oma värskes uuringus leidsid Amsterdami Ülikooli teadur Rinse Liefferink ja kolleegid küsimusele võimaliku vastuse. Nad tegid mitu katset, kus mõõtsid nii libiseva eseme hõõrdumist kui ka jääkatte kõvadust väga erinevatel tingimustel. Tuli välja, et mida kõrgemaks tõuseb temperatuur, seda pehmemaks muutub jää. Pehmel jääl on hõõrdumine juba nii tugev, et libisev ese tungib läbi jää pealiskihi ja hakkab nii-öelda jääd kündma.

Säärane uus lähenemine jää hõõrdumisele võib aidata välja töötada lahendusi, mille abil talvine autosõit turvalisemaks muuta või talisportlaste vaeva kergendada.

Miks käib jää libedus üles-alla?

Nagu öeldud, seostasid teadlased siiani jää libedust eeskätt jääd katva veekihiga. Just veekihi paksus võib määrata, kuidas jää hõõrdetegur vastavalt temperatuurile muutub. Väga külma temperatuuri, näiteks -100 °C korral on jää pealt nii-öelda kuiv. Teisisõnu, kuna veekihti pole, hõõrdub jää rohkem. Kui temperatuur tõuseb  ja jõuab umbes -20 °C kanti, tekib jää pinnale õhuke veekiht, mis töötab uisutaja jaoks omamoodi libestina. Niisiis, -20 °C juures hõõrdub jää vähem. 

Kui temperatuur veelgi tõuseb, hakkavad teadlased pead murdma, sest 0 °C juures hõõrdub jää mingil põhjusel jälle rohkem. Seniste mudelite põhjal oletati, et soojeneva jää teeb karedamaks aina paksemaks muutuv veekiht, kuid vaatlused pole seda oletust kinnitanud.

Varasemates uuringutes tegid uurimiseks mõeldud mõõteriistad ise teadlastele karuteene. Jää libedust mõõtva reomeetri jääd puudutav osa liikus vaid ühte trajektoori pidi ja tekitas sel moel endale jää pinnale väikese süvendi. Nii ei saanud teadlased jää omadustest tõepärast pilti.

Liefferink ja kolleegid seadistasid oma reomeetri teisiti ja lasid jää pinnal libiseda kolmel erineval mõõtekeral. Samuti kandsid nad hoolt, et jää oleks pidevalt sile, lisades jää pinnale kogu aeg natuke vett juurde. Nad mõõtsid hõõrdumist temperatuuridel vahemikus -120∘C kuni -1,5 °C.

Mõõtmised näitasid, et jää kõvadus oli erinevate temperatuuride ja libisemiskiiruste juures erinev. Külmemate temperatuuride juures muutus jää kõvemaks, aga sama temperatuuri korral kõvenes jää just mõõteriista kiirema libisemise korral. 

Just jää kõvaduse kõikumine aitas uurimisrühmal oma hõõrdumisemõõtmistest selgemat sotti saada. Kõige madalamatel temperatuuridel hõõrdus jää tugevalt, sest pinnavee molekulid püsisid jäigalt jää küljes. Kui mõõtekera jää pinnal liikus, hakkasid veemolekulid liikuma – nii muutuski jää libedamaks. Mida kõrgemaks tõusis jää temperatuur, seda hoogsamalt pani näiteks -20 °C juures jääl liikuv kera molekulid liikuma. Sulamistemperatuuri lähistel hõõrdus jää aga taas rohkem, sest jää muutus pehmeks ja liuglev kera vajus sellesse pisut sisse. 

Hõõrdumismõõtmise tulemus olenes ka mõõteketta kujust ja suurusest. Sama survejõu juures hakkas väike mõõtekera jääd kündma umbes -20 °C juures, aga suurem reomeeter -8 °C juures. Seda seetõttu, et väike kera puuris jäässe teravamalt kui suurem, mis puutus jääd laiema kontaktpinnaga. Jääd õrnemalt puudutanud kera lubas ka vee pinnamolekulidel vabamalt liikuda. Sestap libises suur uisuraud väikesest paremini ka suuremate miinuskraadide juures.

Teisisõnu, libisemine sõltub sellest, kui suur osa libisevast esemest jääga kokku puutub ja kui kõvasti see vastu jääd surub. Kui rõhk on piisav, hakkab see jääd kündma. Väikestel kiirustel tehtud katsed näitasid lisaks, et jää muutub kiiruse kasvades kõvemaks. See viitab, et kiire uisk peaks jääd vähem kündma ja seega paremini libisema.

Edasised uurimused näitavad, kuidas mõjutavad jää hõõrdumist ja libisemist ilmastikutingimused, suurem libisemiskiirus ja jää struktuur.

Uuringust kirjutatakse ajakirjas Physical Review X.

Toimetaja: Airika Harrik

Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: