Mühelos gleiten Schlittschuhläufer übers Eis. Was dem sanften Gleiten physikalisch zugrunde liegt, ist noch nicht so klar wie viele wohl vermuten würden. Nun präsentieren französische Forscher eine neue Untersuchung. Eis sei deshalb so rutschig, weil der dünne Wasserfilm darauf zähflüssig wie Öl ist und dadurch ein gutes Gleitmittel darstelle, berichten sie im Fachmagazin „Physical Review X“.
Dass ein dünner Wasserfilm auf der Eisoberfläche das Gleiten mit Schlittschuhen oder Kufen möglich macht, darüber herrscht unter Wissenschaftlern allgemeine Einigkeit. Doch obwohl der Vorgang seit mehr als 150 Jahren untersucht wird, ist der genaue Mechanismus bis heute umstritten. „Die geringe Reibung des Eises bleibt jedoch paradox und entgegen der Erwartung, da flüssiges Wasser aufgrund seiner geringen Zähflüssigkeit üblicherweise als schlechtes Gleitmittel angesehen wird“, schreiben die Forscher um Lydéric Bocquet und Alessandro Siria vom Forschungsinstitut ENS in Paris.
Sie verwendeten eine Vorrichtung aus Aluminium in Form einerStimmgabel, an der sie ein Kügelchen aus Borosilikatglas mit einemDurchmesser von 1,5 Millimetern anbrachten. Mittels elektromagnetischer Anregung und unter Ausnutzung der Eigenschwingungen der Stimmgabel maßen verschiedene Sensoren die Schwingungsbewegung der Glaskugel. Beim Gleiten der Kugel über Eis konnten die Forscher die mechanischen Eigenschaften des Schmelzwassers bis in die Größenordnung von Nanometern (Millionstel Millimetern) untersuchen.
Dabei stellten Bocquet, Siria und Kollegen fest, dass die Reibung des Eises mit der Temperatur (minus 15 bis null Grad) zunahm - kälteres Eis ist also rutschiger. „Die Zunahme der Zähflüssigkeit mit der Temperatur kann als zunehmende Dichte von Eisfragmenten interpretiert werden, wenn das Eis nahe dem Schmelzpunkt weicher wird“, erläutern die Physiker. Die Tiefe der Kugel im Eis, und damit der Druck, der auf das Eis ausgeübt wird, spielte fast keine Rolle dafür, wie zähflüssig der Wasserfilm war.
Die Forscher untersuchten auch die Wirkung von wasserabweisenden Oberflächen auf den Reibungswiderstand - was in der Wintersportpraxis dem Wachsen von Skiern entspricht. Sie stellten fest, dass die Reibung tatsächlich stark verringert wird, ein Gegenstand also besser gleitet. Dabei ändert sich die Stärke des Wasserfilms nicht, er bleibt immer bei ein paar Hundert Nanometern. Eine genaue Erklärung für das bessere Gleiten gewachster Skier lassen die Wissenschaftler offen.
Eiskristalle im Wasserfilm sorgen also dafür, dass das Schmelzwasser auf dem Eis zähflüssig und damit ein gutes Gleitmittel wird. Versuche mit dem Kunststoff Polyethylenglykol (PEG) 1000 ergaben, dass auch bei diesem Stoff die Zähigkeit in der Oberflächenschmelze größer war als im komplett flüssigen Zustand. „Jenseits der Eisreibung schlagenunsere Ergebnisse neue Wege in Richtung selbstheilender Schmierstoffe vor, um ultraniedrige Reibung zu erreichen“, so das Team.