لطالما كان سبب زلق الجليد لغزًا محيرًا للعلماء والرياضيين على حد سواء. على الرغم من أن الظاهرة معروفة منذ قرون، إلا أن الآليات الدقيقة التي تجعل الجليد منزلقًا للغاية لا تزال قيد النقاش. تشير الأبحاث الحديثة إلى أن عدة عوامل، بما في ذلك الضغط والاحتكاك وتشكل طبقة رقيقة من الماء السائل، تلعب دورًا في هذه الخاصية الفريدة.
تجري دراسات مكثفة في جامعات ومختبرات بحثية حول العالم لفهم هذه الظاهرة بشكل أفضل، بهدف تطوير مواد وتقنيات جديدة لتحسين أداء التزلج والتنقل على الأسطح الجليدية. وقد أظهرت محاكاة حاسوبية حديثة رؤى جديدة حول سلوك جزيئات الماء على سطح الجليد.
نظريات حول زلق الجليد: ما الذي يجعل الجليد منزلقًا؟
لطالما كانت هناك ثلاث فرضيات رئيسية تحاول تفسير زلق الجليد. أولاً، فرضية الضغط، التي تقترح أن الضغط الناتج عن جسم يتحرك على الجليد يقلل من نقطة انصهاره، مما يؤدي إلى تكون طبقة رقيقة من الماء تعمل كمادة تشحيم. ثانيًا، فرضية الاحتكاك، التي تفترض أن الحرارة الناتجة عن الاحتكاك تذيب سطح الجليد، مما يجعله أكثر انزلاقًا. وأخيرًا، فرضية “الذوبان المسبق”، والتي تشير إلى وجود طبقة رقيقة من الماء السائل موجودة بشكل دائم على سطح الجليد، حتى في درجات حرارة أقل من نقطة التجمد.
الطبقة الذائبة مسبقًا ودورها
يعتقد العلماء عمومًا أن الطبقة الذائبة مسبقًا موجودة، خاصة بالقرب من نقطة التجمد. ومع ذلك، لا يزال هناك جدل حول مدى مساهمتها في زلق الجليد. أظهرت المحاكاة الحاسوبية التي أجراها لويس ماكدويل وفريقه في جامعة كومبلوتنسي بمدريد أن هذه الطبقة تتشكل بالفعل، وتزداد سماكة عند انزلاق جسم ثقيل على السطح، مما يدعم نظريتي الضغط والذوبان المسبق.
ومع ذلك، أظهرت المحاكاة أيضًا أنه في درجات الحرارة المنخفضة، يكون تأثير الاحتكاك محدودًا بسبب سمك الطبقة الذائبة مسبقًا. وبالتالي، يبدو أن جميع الفرضيات الثلاث تعمل معًا بدرجات متفاوتة، اعتمادًا على الظروف.
فرضية “التحول البلوري” كبديل
في الآونة الأخيرة، قدم فريق بحثي من جامعة سارلاند في ألمانيا حججًا ضد الفرضيات السائدة. وفقًا للباحثين، فإن الضغط المطلوب لإذابة سطح الجليد سيكون مرتفعًا بشكل غير معقول، وأن الحرارة الناتجة عن الاحتكاك غير كافية لإحداث الذوبان. بالإضافة إلى ذلك، وجدوا أن الجليد يظل زلقًا حتى في درجات الحرارة المنخفضة جدًا، حيث لا توجد طبقة ذائبة مسبقًا.
يقترح الباحثون آلية بديلة تسمى “التحول البلوري” (amorphization). تستند هذه الفرضية إلى دراسات حول المواد الأخرى، مثل الماس، حيث يمكن أن يصبح السطح “أكثر ليونة” بسبب إعادة ترتيب الذرات. عندما تنزلق أسطح الجليد فوق بعضها البعض، تتشكل “لحامات” صغيرة بسبب قوى الجذب بين جزيئات الماء. عندما تنكسر هذه اللحامات، يتغير هيكل الجليد، مما يجعله أكثر انزلاقًا.
تشير هذه العملية إلى أن زلق الجليد قد لا يعتمد بالضرورة على وجود طبقة سائلة، بل على إعادة ترتيب الذرات في هيكل الجليد نفسه. وهذا يمثل تحولًا في الفهم التقليدي لهذه الظاهرة.
تطبيقات محتملة وأبحاث مستقبلية في مجال الاحتكاك على الجليد
إن فهم الآليات الدقيقة التي تجعل الجليد منزلقًا له آثار مهمة في مجالات مختلفة. على سبيل المثال، يمكن أن يساعد في تصميم معدات تزلج أكثر كفاءة، أو في تطوير مواد جديدة لزيادة الاحتكاك على الأسطح الجليدية، مما يحسن السلامة. كما أن له تطبيقات في مجالات مثل هندسة الفضاء، حيث يمكن أن يكون الجليد مشكلة كبيرة.
تتضمن الأبحاث المستقبلية دراسات أكثر تفصيلاً لعملية التحول البلوري، بالإضافة إلى محاولة تحديد العوامل التي تؤثر على قوة اللحامات بين جزيئات الماء. من المتوقع أن يتم نشر نتائج جديدة في هذا المجال خلال العام المقبل، مما قد يؤدي إلى فهم أكثر شمولاً لزلق الجليد.
لا يزال هناك الكثير لنتعلمه حول هذه الظاهرة المعقدة، ولكن التقدم المحرز في السنوات الأخيرة يوفر رؤى قيمة ويفتح آفاقًا جديدة للبحث والتطوير. من المهم مراقبة التطورات في هذا المجال، حيث يمكن أن تؤدي إلى ابتكارات مهمة في مختلف الصناعات.
