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Physik

Eine Formel für Glatteis

Warum ist Eis rutschig? Die Antwort ist überraschend kompliziert. Eine neue Gleichung vereinfacht jetzt praktische Berechnungen.
Eiskristall

Wenn Schlittschuhläufer elegant über Eisflächen gleiten, liegt das an einer dünnen Wasserschicht. Erst sie macht Eis so richtig rutschig. Die oft angeführte Weisheit, das Eis schmelze erst durch den darauf lastenden Druck oder durch die Reibung, stimmt so aber nicht. Tatsächlich ist die Eisschicht ständig durch einen quasiflüssigen, hauchdünnen Wasserfilm feucht, selbst deutlich unterhalb von null Grad Celsius – ein Effekt, den Physiker auch als Oberflächenschmelzen bezeichnen.

Ein schwer zu fassendes Phänomen

Diese Erscheinungen experimentell zu untersuchen, ist allerdings schwierig. Gängige Techniken waren lange Zeit entweder nicht empfindlich genug oder brauchten spezielle Laborbedingungen wie Ultrahochvakuum. Erst in den 1990er Jahren gelang das Forschern mit trickreichen Versuchsanordnungen. Inzwischen gibt es zahlreiche theoretische und experimentelle Arbeiten zur flüssigen Oberfläche einer freien Eisfläche.

Deutlich komplizierter wird es noch einmal, wenn ein anderer Festkörper das Eis berührt. Schließlich ist die Kontaktfläche dann für direkte Untersuchungen verborgen. Immerhin lässt sich dann noch messen, wie groß die Reibung bei verschiedenen Materialien und Gleitgeschwindigkeiten ist.

Gleichung für Gleiten auf Glatteis

In einer neuen Untersuchung verbindet der schwedische Physiker Bo Persson vom Institut für Festkörperforschung am Forschungszentrum Jülich nun die theoretischen Beschreibungen mit den experimentellen Daten. Persson entwickelte eine mathematische Formel für die Scherung, die auftritt, wenn ein Material am Eiskörper entlanggleitet, und dafür, wie die scherenden Kräfte beispielsweise von der Temperatur der Eisschicht abhängen. Dieser Gleichung zufolge kommt es auch bei einer Eisdecke, auf der ein anderes Material liegt, zu Oberflächenschmelzen – eine wenig überraschende Erkenntnis, die jeder Schlittschuhläufer oder einmal ausgeglittene Passant bestätigen kann. Mit Perssons Formel ist es nun allerdings besser möglich, diese Kräfte abhängig von Temperatur und Rutschgeschwindigkeit zu berechnen.

Der Wissenschaftler beschäftigt sich außerdem mit Reibungs- und Kontaktphänomenen auf Gummi, also etwa bei Schuhsohlen oder Reifen. Er will beides verbinden und nun beispielsweise Werkstoffe finden, die bei unterschiedlichen Bedingungen besser auf Eis haften. Doch darüber hinaus bereichert die Arbeit von Persson das theoretische Bild vom Gleiten auf Eis generell – möglicherweise sogar bis hin zu neuen Einblicken in das Fließen von Gletschern.

49/2015

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 49/2015

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