Waarom is ijs glad? Wetenschappers hebben dit raadsel eindelijk gekraakt
Dát ijs glad is, hoef je niemand uit te leggen. Maar waardóór ijs glad is, is al ruim anderhalve eeuw een openstaande vraag in de natuurkunde. Nederlandse onderzoekers stellen het raadsel nu definitief te hebben gekraakt.
Mocht u zich deze week wagen aan een schaatstocht op natuurijs, weet dan dat zich onder uw glijdende ijzers een natuurkundig raadsel van jewelste voltrekt. “Niemand snapte tot voor kort precies waarom ijs glad is en waarom schaatsen zo goed glijden”, zegt fysicus Daniel Bonn van de Universiteit van Amsterdam.
De meeste fysici keken voor een verklaring naar het laagje water dat op ijs rust. Maakt dat glad? En schaatst een schaats zo lekker omdat deze extra smeltwater produceert? Nee, schrijven Bonn en collega's nu in het vakblad Physical Review X. Het antwoord schuilt in het gewiebel, gedans en – vooral – geról van de moleculen op het ijsoppervlak.
Vloer vol knikkers
Ruim twee jaar terug publiceerden Bonn en collega’s al de resultaten van computersimulaties die lieten zien dat watermoleculen aan het oppervlak van ijs elkaar soms lekker losjes vasthouden. Dat geeft ze de vrijheid om onder onze voeten en schaatsen te rollen, alsof je beweegt over een vloer vol kleine knikkers.
In het nieuwe onderzoek hebben ze dat idee nu ook in de praktijk getest, door een stukje van een schaats – type Viking noren – over ijs te laten glijden. Ook lieten ze, ter controle van de watertheorie, schaatsen glijden over kunststof met een laagje water. En wat blijkt: nat kunststof glijdt als ondergrond alleen fatsoenlijk bij hoge snelheden, niet als je langzaam gaat. Terwijl écht ijs ook al glad is als je er heel voorzichtig een beetje overheen schuifelt. Eén - nul voor de rolmoleculen, dus.
Ideale glibberigheid
En ook op andere gebieden past de moleculaire verklaring beter, schrijven de onderzoekers. Zo bleek een schaatsijzer bij honderd graden onder nul muurvast te staan op het ijs, precies zoals voorspeld. De theorie stelt namelijk dat de moleculen elkaar bij lagere temperaturen steeds steviger vasthouden, alsof je de knikkers vastlijmt op de vloer.
Maar te wárm is ook niet goed, benadrukt Bonn. Dan wordt het ijs juist weer papperig en krijg je extra wrijving. De ideale glibberigheid bereikte het daarom rond de zeven graden onder nul, niet toevallig ook de temperatuur van het ijs in schaatsstadion Thialf. “Dat vind ik leuk: dat de ijsmeesters daar al jaren uit de praktijk wisten wat we nu terugzien in ons experiment.”
Wedstrijdschaats slijpen
Fysicus en schaatsliefhebber Tjerk Oosterkamp (Universiteit Leiden) is enthousiast over de bevindingen van zijn Amsterdamse concurrenten. “Waar zij zeggen: dit verklaart waarom ijs glad is, punt, voeg ik graag toe: bij lage snelheid”, zegt hij.
Zijn eigen onderzoek naar de gladheid van ijs lag mede door corona even stil. “Maar na het lezen van deze knappe resultaten sta ik te popelen om weer te beginnen”, zegt hij. Oosterkamp wil vooral ontdekken hoe je een wedstrijdschaats het best kunt slijpen voor optimale prestaties bij hóge snelheden, en voor grotere krachten op het ijs. “Een procentje minder wrijving op het ijs bespaart je op de 500 meter bijvoorbeeld al snel een paar honderdsten van een seconde. Dat zijn de verschillen waarop medailles worden verdeeld.”