Perché sul ghiaccio si scivola?

Chi non è mai scivolato accidentalmente sul ghiaccio o sulla neve? Le sue proprietà scivolose ci sono del tutto familiari, ma la spiegazione della qualità scivolosa del ghiaccio ha scatenato una controversia scientifica vecchia di quasi due secoli. Ora, modellando il problema usando la simulazione molecolare, siamo stati in grado di avvicinarci alla risposta.

L’importanza di decifrare il fenomeno

Gli esseri umani hanno utilizzato le proprietà di scorrimento del ghiaccio o della neve da tempo immemorabile. A volte come forma di svago e altre volte come mezzo di trasporto. Nell’antica Cina, durante la dinastia Ming nel XV secolo, crearono una strada di ghiaccio per trasportare centinaia di chilogrammi di lastre di marmo dalle vicine montagne alla Città Proibita di Pechino.

Il trasporto del ghiaccio di oggi serve a scopi più banali e modesti, ma la comprensione delle origini di questa proprietà familiare rimane importante, sia che si tratti di migliorare le prestazioni degli atleti alle Olimpiadi o di garantire la sicurezza delle auto durante l’inverno.

La controversia iniziò nell’Inghilterra vittoriana

Da quasi due secoli ormai gli scienziati discutono sul perché il ghiaccio sia così scivoloso, senza essere d’accordo, in un’appassionata polemica storica iniziata in Gran Bretagna in piena epoca vittoriana.

A quel tempo, l’ultimo ghiacciaio delle isole britanniche si era sciolto più di 10.000 anni fa, e grandi scienziati dell’epoca si misero a cercare di capire le cause del suo scivolamento lungo le montagne. Tra gli altri interessi, questa è stata una buona occasione per lanciare l’industria turistica delle stazioni invernali di recente creazione.

Così, un team di geologi, biologi, fisici e botanici composto da Huxley, Henslow, Tyndall e Hooker viaggiò per studiare in situ il comportamento del ghiaccio sul ghiacciaio di Grindenwald, in Svizzera, nel 1856. In questa spedizione coniarono il termine regolazione, la proprietà del ghiaccio di sciogliersi e ricongelarsi facilmente, che è all’origine delle prime ricerche sull’attrito del ghiaccio.

Lo strato lubrificante dell’acqua

Da quegli studi è emersa l’ipotesi più accreditata, la quale suppone che sulla superficie del ghiaccio vi sia uno strato di acqua sciolta che funge da lubrificante. Ma come si forma questo strato d’acqua al di sotto della temperatura di fusione? Michael Faraday, famoso per i suoi studi sull’elettromagnetismo, propose a metà del XVIII secolo che lo scioglimento del ghiaccio avvenisse spontaneamente sulla sua superficie anche al di sotto del punto di fusione. Ma questa ipotesi sembrava contraddire i principi della termodinamica appena formulati e non fu ben accolta.

Più o meno nello stesso periodo, James Thomson, fratello maggiore di Lord Kelvin, scoprì una delle proprietà più insolite del ghiaccio: la sua capacità di sciogliersi sotto pressione, esattamente l’opposto della maggior parte delle sostanze, che cristallizzano con l’aumentare della temperatura.

Usando questo concetto, John Joly e Osborne Reynolds, i padri dell’idrodinamica, suggerirono che la pressione esercitata da un pattino sul ghiaccio lo avrebbe fatto sciogliere, permettendogli di scivolare facilmente.

Quasi un secolo dopo, nel 1950, Philip Bowden, uno dei fondatori della moderna scienza della tribologia, o scienza dell’attrito, propose che lo scioglimento non fosse dovuto all’aumento della pressione, ma piuttosto al calore generato dallo scivolamento del pattino.

Osservazione degli atomi di ghiaccio

Il fatto è che le moderne tecniche di osservazione delle superfici dei materiali, come la microscopia avanzata o la diffrazione dei raggi X, vengono solitamente eseguite in condizioni di laboratorio controllate, che sono lontane dalle condizioni abituali in cui scivola un pattino sul ghiaccio.

Per sostituire i complicati esperimenti di laboratorio, dell’Università Complutense di Madrid, in collaborazione con i colleghi dell’Università Autonoma di Madrid e dell’Università Maria Curie-Skłodowska di Lublino, in Polonia, hanno simulato il movimento degli atomi come un solido scivola sulla superficie del ghiaccio. Questo ci permette di “vedere” il movimento individuale di ciascuna delle molecole nel sistema come in un film e contare quante di esse si sono sciolte.

I risultati, pubblicati negli Atti della National Academy of Science, mostrano che Michael Faraday aveva ampiamente ragione. Non appena il solido viene messo in contatto con un perfetto cristallo di ghiaccio, si osserva che le molecole più vicine alla sua superficie si sciolgono immediatamente, indicando che il ghiaccio forma spontaneamente uno strato di lubrificazione. Ma anche Thomson e Reynolds avevano ragione. Infatti, quando comprimiamo il solido contro il ghiaccio, osserviamo che lo strato di acqua liquida aumenta continuamente il suo spessore quanto maggiore è la pressione.

E c’è di più: appena mettiamo il solido a scivolare sul ghiaccio, scopriamo che se l’attrito iniziale è grande, il calore generato scioglie un po’ di più la superficie, aumentando lo spessore dello strato liquido e migliorandone la lubrificazione, proprio come proposto da Bowden.

Il risultato è una bellissima storia sul progresso scientifico. A volte nel descrivere i progressi della scienza facciamo come nei reportage sportivi e ci soffermiamo solo sull’autore del tiro in porta, ma in verità i progressi sono sempre il risultato di uno sforzo continuo di un’intera comunità scientifica i cui contributi sono spesso oscurati da la reputazione degli autori più noti.

Avevano tutti in parte ragione

In questo modo, hanno scoperto che le chiavi principali della natura scivolosa del ghiaccio sono il fenomeno dello scioglimento superficiale proposto da Faraday; fusione per pressione, che ricorda l’ipotesi di Thomson, e fusione per attrito proposta da Bowden. Ma, contrariamente alle ipotesi di Thomson e Bowden, questi fenomeni sono tutti processi di fusione che interessano solo la superficie del ghiaccio e quindi possono avvenire anche al di sotto della sua temperatura di fusione.

Questa combinazione di fattori conferisce alla superficie del ghiaccio uno strato d’acqua autolubrificante e autorigenerante il cui potere lubrificante viene restituito all’aumentare della velocità di scorrimento.

In tempi recenti, alcuni esperti si sono interrogati sul ruolo che uno strato d’acqua può svolgere come lubrificante per il ghiaccio. In effetti, l’acqua è un cattivo lubrificante. Essendo molto fluido, quando lo mettiamo tra due giunti, l’alta pressione lo espelle, e i giunti sono a diretto contatto, generando molto attrito. Per questo motivo, i lubrificanti più comunemente usati sono solitamente liquidi viscosi e poco fluidi, come l’olio. Nel caso del ghiaccio, le cose sono molto diverse. Nello stesso momento in cui la pressione espelle l’acqua, il ghiaccio in superficie si scioglie e ripara la perdita, come esempio del noto principio di Le Chatelier.

Le tre ipotesi principali che sono state così a lungo dibattute sono infatti reciprocamente compatibili e lavorano simultaneamente per dare al ghiaccio quella qualità scivolosa che lo rende eccezionale.