A nyomás-olvadás elmélete
Az 1800-as évek közepén James Thomson angol mérnök vetette fel, hogy a jég azért válik csúszóssá, mert amikor rálépünk, a testünk által kifejtett nyomás lecsökkenti az olvadáspontját, így helyileg elolvad, és egy csúszós vízréteg alakul ki. Ezt a kapcsolatot Thomson öccse, Lord Kelvin kísérletileg igazolta is. Azonban a 20. század elején két brit vegyész, Frank P. Bowden és T.P. Hughes megcáfolta ezt az elméletet, mivel számításaik szerint irreálisan nagy tömeg – több ezer kilogramm – lenne szükség ahhoz, hogy számottevően befolyásoljuk a jég olvadáspontját.
A súrlódás melegíti fel a jeget?
Bowden és Hughes alternatív magyarázatot adtak: szerintük a vízréteg a súrlódás nyomán, azaz a mozgás során keletkező hőtől jön létre. Svájcban, egy mesterséges jégbarlangban tesztelték ötletüket: fémmel és ebonittal érintkezésbe hozták a jeget, és megfigyelték, hogy a jó hővezetők (pl. réz, sárgaréz) kevésbé hajlamosak olvasztani a jeget, mert gyorsabban vezetik el a hőt, így kevesebb hő marad meg ahhoz, hogy ténylegesen megolvasztsa a felszínt. Ezen elmélet szerint tehát a súrlódás okozta hő hatására olvad meg a jég felszíne.
Ez a magyarázat ma is szerepel tankönyvekben, de sok fizikus kételkedik benne. Kiemelik, hogy a jég, például egy korcsolyapályán, már az első lépésnél csúszik, mielőtt bármiféle mozgásból eredő súrlódás kifejthetné a hatását. Amszterdami kutatók mikroszkopikus korcsolyapálya-modellt építettek, amelyben mérték a mozgó fém és a jég közötti erőket különböző sebességeknél. Megállapították, hogy a csúszósság nem függött a sebességtől, így a súrlódási melegedés nem lehet az egyedüli ok.
Előolvadás, a mindig jelenlévő nedves réteg
Michael Faraday már 1842-ben leírta, hogy két jégkocka simán összefagy, vagy hogy a meleg kéz hozzáragad a jéghez – szerinte tehát a jég felszínén egy előolvadási, vékony, nedves réteg állandóan jelen van. A további kutatók szerint ezek a felszíni vízmolekulák szabadabban mozognak, mivel kevesebb szomszédos kötés tartja őket, mint a jég mélyében. A tudósok jelenleg abban egyetértenek, hogy az előolvadási réteg ténylegesen jelen van a jég felületén, különösen fagypont közelében, de abban már nincs konszenzus, hogy ez önmagában elég-e a csúszáshoz.
Későbbi szimulációkban tudósok kimutatták, hogy ez a néhány molekula vastagságú, folyadékszerű réteg valóban jelen van. Ha egy nehéz tárgy kezd el csúszni rajta, a réteg vastagsága megnő, ami összhangban van a nyomás-olvadás elmélettel. Magasabb hőmérsékleten a súrlódás nem sokat tesz hozzá a réteg vastagságához, alacsonyabb hőmérsékleten viszont igen.
Új elmélet: amorfizáció, azaz a struktúra szétesése
A legfrissebb német kutatások szerint lehet, hogy egyik hagyományos elmélet sem ad teljes magyarázatot, vagy ezek kombinációjáról van szó. Ezek alapján a kiinduló érintkezési felületnek irreálisan kicsinek kellene lennie ahhoz, hogy csak a nyomás elolvasztja a jeget. Továbbá, egy valódi síelési sebességnél a súrlódási hő sem ad elegendő energiát az olvadáshoz. Sőt, extrém hidegben a jég továbbra is csúszik, még ha a felületi olvadás lényegében nincs is jelen.
A magyarázatot olyan kutatásokból vették át, ahol például gyémántokat próbáltak csiszolni. Ott azt figyelték meg, hogy a kristály felületéről a mozgás kiszakítja az atomokat eredeti helyükről, így egy rendezetlen, amorf, azaz folyékonyhoz hasonló réteg alakul ki. Ebből adódóan a jég felszínén a csúszó mozgás – még alacsony hőmérsékleten is – rendezetlenséget, kvázi folyékony réteget eredményez, amely növekszik, amíg a csúszás tart.
Jégbe fagyott viták
Nem zárható ki annak a lehetősége, hogy a jég csúszása mindhárom korábbi mechanizmus különböző mértékű együttes hatása, ráadásul új, eddig nem ismert tényezők is közrejátszhatnak. Abban minden kutató egyetért, hogy a jégfelület molekulái különösen mozgékonyak, hasonlóan ahhoz, mintha egy golyókkal teli szobában próbálnánk egyensúlyozni – mindig kicsúszik alólunk a talaj.
Egy idő után talán sikerül közös nevezőre jutni abban, hogy pontosan mi adja a jég veszélyes, ám a téli sportokhoz nélkülözhetetlen csúszóságát. Addig viszont a kérdés legalább olyan csúszós marad, mint maga a jég.
