Schaatsen doe je over stroperig water

Natuurkunde Het flinterdunne laagje water dat ijs zo glad maakt, gedraagt zich anders dan gewoon water. Er zitten kleine stukjes ijs in opgelost.

Het laagje water op ijs is slechts een honderdste van de dikte van een haar.
Het laagje water op ijs is slechts een honderdste van de dikte van een haar. Foto Robin van Lonkhuijsen/ANP

IJs en sneeuw zijn glad omdat het bovenste laagje bestaat uit water. Als je eroverheen schaatst of loopt, wordt het ijs nog gladder doordat de wrijving maakt dat er meer ijs smelt en het laagje water zich gaat gedragen als olie. Dat hebben Franse onderzoekers aangetoond. Hun resultaten verschenen vorige week in Physical Review X.

De glibberigheid van ijs is bijzonder. Andere vaste stoffen, zoals hout of metaal, zijn niet glad genoeg om overheen te glijden. De laatste jaren ontrafelen wetenschappers stap voor stap waarom ijs zo glad is. In de meest recente stap laten de Franse onderzoekers zien dat er een extra glibberig laagje ontstaat als je met een object over ijs beweegt.

Zelfs als het keihard vriest en ijs tot -30 graden Celsius afgekoeld is, blijft er een flinterdun vliesje vloeibaar water aanwezig aan het oppervlak. Dat toonden wetenschappers van het onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam vorig jaar aan. „Dat laagje is een intrinsieke eigenschap van het ijs. Het is er ook als er niemand overheen schaatst”, vertelt hoogleraar Huib Bakker, die destijds het AMOLF-onderzoek heeft geleid.

De Franse onderzoekers hebben dit Nederlandse onderzoek aangevuld door in detail te meten wat er gebeurt met de eigenschappen van het laagje water als je een object over het ijs beweegt. Hiervoor gebruikten ze een soort stemvork waarbij aan een van de tanden een klein glazen kraaltje zat gelijmd van 1,5 millimeter groot. Het kraaltje zetten ze op het ijs, waarna de stemvork in trilling werd gebracht. Daardoor bewoog het kraaltje over het ijs heen en weer. Tegelijkertijd mat de stemvork – waar meetapparatuur aan vast zat – de wrijving en andere krachten die het kraaltje ondervond.

Glibberiger

Uit de meting bleek dat er inderdaad een laagje smeltwater ontstaat door de wrijving van het kraaltje over het ijs, zoals de wrijving van een schaats of ski ook het oppervlak van ijs of sneeuw wat laat smelten. Maar het laagje water bleek dunner dan verwacht; slechts een honderdste van de dikte van een haar. Bovendien gedraagt het zich niet als ‘gewoon’ vloeibaar water. Het lijkt stroperiger, als olie.

De onderzoekers stellen voor dat dit glibberige gedrag van het water ontstaat doordat het laagje water aan het oppervlak niet puur water is, maar een mengsel is van vloeibaar water en kleine stukjes ijs. Door de schurende beweging van het kraaltje over het ijsoppervlak zouden er kleine flintertjes ijs los zijn gekomen die oplosten in het laagje water. De waterige ijsslurry die hierbij ontstaat, voelt meer olieachtig dan water, waardoor het oppervlak nog glibberiger wordt.

„Ik denk dat het ontstaan van een ijsslurry een goede verklaring kan zijn voor de glibberigheid”, zegt Bart Weber van het Nederlandse onderzoeksinstituut ARCNL, die vergelijkbaar onderzoek deed. „Maar een beperking van dit soort wrijvingsexperimenten is dat het kraaltje steeds heen en weer beweegt over hetzelfde stuk ijs.” Dat verschilt van schaatsen of skiën, omdat je dan telkens over vers ijs beweegt waarbij je het los geschaafde ijs achter je laat. Bovendien warmt het ijs meer op als je telkens over het zelfde stukje wrijft. Weber: „Pas als deze resultaten ook gevonden worden bij onderzoek dat niet op hetzelfde ijsplekje blijft bewegen, dan durf ik het te extrapoleren naar toepassingen in ons dagelijks leven.”