PROČ JE SNÍH KLUZÝ? International Journal of Experimental Education (Scientific Journal)
Sníh, který spadl na zem, je velmi složitý fyzikální objekt, jehož fyzikální vlastnosti se v průběhu času neustále mění.
Sněhová pokrývka má široké spektrum dopadů na život na naší planetě. Představuje nejen mimořádně prostornou zásobárnu vláhy, ale také gigantickou vrstvu mezi zemským povrchem a atmosférou, která určuje charakter výměny tepla a plynů mezi nimi, významně ovlivňuje tvorbu klimatu, reliéf, hydrologické a půdotvorné procesy, život rostlin a živočichů. Sněhová pokrývka může dokonce ovlivnit rychlost rotace Země.
Podle odborníků může hmotnost sněhové pokrývky jen na severní polokouli dosáhnout 13,5 bilionu tun. Hustota čerstvě napadaného sněhu je nízká, nepřesahuje
0,1 g/cm3. Sněhové bouře a hurikánové větry však sníh velmi zhutňují a zvyšují jeho hustotu 2-4krát. A již při hustotě cca 0,75 g/cm3 se ledové krystalky sevřou k sobě natolik, že uzavřou vzduchové póry a vzduch v nich obsažený poskytuje elastický odpor dalšímu zhutňování. Dovést krystalické částice do bodu fúze, což je monolitická polykrystalická struktura – led, vyžaduje obrovské úsilí.
Obyčejný led, do kterého při atmosférickém tlaku a teplotě 0°C krystalizuje voda, je jednou ze třinácti typů modifikací ledu, které jsou při určitých tlacích a teplotách stabilní a mezi ostatními známými látkami představuje největší počet krystalických forem sněhových vloček. Každá sněhová vločka je jeden krystal s vysoce rozvětveným tvarem, který se skládá převážně ze 6 paprsků vycházejících z centrálního jádra (dendritická forma). Průměr sněhových vloček se pohybuje od zlomků milimetru do několika milimetrů, jejich hmotnost se pohybuje od 1 do 2,3 mg. Tvar a struktura sněhových vloček je dána krystalickou strukturou ledu. Tento typ křišťálového obalu není hustý, takže led je lehčí než voda.
Ať už v létě nebo v zimě, jsme neustále přesvědčeni, že mraky se skládají z drobných kapiček zavěšených ve vzduchu jako částečky kouře nebo mlhy. Proč kapičky nezamrzají, i když teplota mraku může být mnohem nižší než 0 °C?
K vytvoření krystalů jsou potřeba krystalizační centra, což mohou být například běžné prachové částice. Bez krystalizačních center může být vysoce podchlazený mrak velmi stabilní. Nyní předpokládejme, že nastaly podmínky pro krystalizaci a oblak obsahuje současně kapičky i ledové krystalky.
Ukazuje se, že ledové krystaly rostou rychleji než kapičky, protože vazebná energie molekul v krystalu je větší než výparné teplo vodních kapiček. Růstem ledových krystalků se snižuje vlhkost okolního vzduchu, což vede k zintenzivnění procesu odpařování kapiček a jejich mizení. Růst krystalů v důsledku kapiček pokračuje, dokud krystaly nedosáhnou velikosti dostatečné k tomu, aby spadly na zem. Jak se ukazuje, většinu dešťových kapek tvoří sněhové krystaly, které při dopadu na zem tají.
K tvorbě sněhových krystalů však dochází i na zemi – to je námraza na větvích stromů, zdech domů, oknech bytů. Při prudkém oteplení dochází ke kondenzaci vodní páry na površích těles, která mají setrvačnost tepelných vlastností (vysoká tepelná kapacita a nízká tepelná vodivost), následovaná jejich krystalizací v podobě těch nejfantastičtějších obrazců.
Úžasná proměnlivost stavu sněhu – ledu v přírodě je dána tím, že se neustále zapojuje do fázových přechodů: led – voda, led – pára a naopak. Intenzita těchto procesů je zvláště vysoká za podmínek blízkých tzv. trojnému bodu, kdy jsou pevná, kapalná a plynná forma látky v termodynamické rovnováze (t0 = +0,01°C, p0 = 6,03 10-3 atm). V blízkosti tohoto bodu se velmi mění charakteristika sněhové pokrývky, včetně pro nás tak důležité, jako je koeficient smykového tření.
Je to úžasné, ale pravdivé: k pohybu po sněhu na saních musíte vydat 10krát méně energie než na jízdu na kolech. Proč je sníh (led) tak kluzký? Pokud zatlačíte na led ostrým předmětem, například čepelí nože, nůž se postupně zaboří hlouběji. Led, stejně jako sníh, taje pod tlakem. Jak se tlak zvyšuje, teplota tání ledu klesá pod 0 °C. Voda se při zamrznutí rozpíná a každý tlak, který tomuto rozpínání brání, musí také zabránit zamrznutí, což je v podstatě ekvivalentní snížení bodu mrazu. Led pod tlakem by tedy měl roztát a čím vyšší je teplota ledu, tím je tento efekt znatelnější, který lze výrazně posílit skluzovým třením na povrchu ledu. Teplo uvolněné při tomto procesu urychluje proces tání ledu a výsledný film vody slouží jako jakési mazivo, které zajišťuje skluz.
Zkusme odhadnout příspěvek obou faktorů k tání sněhu či ledu. Použijme Clausiův-Clapeyronův vztah, který charakterizuje procesy přechodu látky z jedné fáze do druhé:
kde λ je měrné teplo tání ledu; ρл a ρв jsou hustoty ledu a vody. Ukazuje se, že k posunu bodu tání ledu o 1K dojde při přetlaku přibližně 1,33 x 107 Pa (133 atm), zatímco tlak vytvářený bruslí je přibližně 3 x 106 Pa (30 atm) a u lyží ještě méně. Mazání, zejména v mrazivém dni, se proto tvoří hlavně díky tření.
Tření zase závisí na teplotě sněhu (ledu), rychlosti pohybu, materiálu lyží (brusle), velikosti skluzné plochy a přítlaku. Tření je minimální při klouzání na suchém sněhu při teplotách blízkých 0°C. S rostoucí teplotou sníh vlhčí a tření se začíná zvyšovat úměrně s vlhkostí.
Zvýšením rychlosti skluzu při pevné teplotě sněhu se dosáhne velmi výrazného snížení tření. Například při zvýšení rychlosti z 0,03 m/s na 5 m/s se koeficient tření sníží téměř 10x, ale s poklesem teploty se zvýší. Při teplotě -25°C se odpor sněhu při nízkých rychlostech skluzu u experimentálních lyží (běžek) vyrobených z oceli oproti 0°C zdvojnásobí a u těch z mědi a některých plastů se zvýší 3-4x a přiblíží se hodnotě skluzu na suchém písku.
Skutečnost, že tlak skutečně posouvá bod tání ledu, lze vidět na mnoha příkladech masivních ledovců sesouvajících se z horských svahů překonávajících překážky. Tam, kde se ledovec opírá například o skalní výběžek, vzniká obrovský tlak a led začíná tát. Vzniklá voda je vytlačována do bezprostřední blízkosti, kde již není pod tlakem a tudíž opět zamrzá. Zdá se, že ledovec obtéká překážku v cestě. Tento majestátní pohyb ledovců se přizpůsobuje vinutí a svahům horských údolí jako proud vody. A opět, jako proud vody, se střed ledovce pohybuje rychleji než jeho okraje.