Logga in på Dagens Nyheter

Här kan du som DN-kund logga in för obegränsad läsning av DN.se och e-DN.

Med ett gratiskonto kan du följa skribenter och ämnen samt spara artiklar.

Sverige

Därför är is så halt

Varför is är halt har forskare grubblat över i 150 år. En ny matematisk modell visar hur halkan beror på både temperatur och hastighet.

December var en av de varmaste sedan vi började mäta temperaturen i Sverige, men första veckan av 2016 har vi haft minusgrader i hela landet. Jullovsfirande barn fick kanske äntligen åka pulka eller skridskor, och Trafikverket varnade för halka och besvärligt väglag.

Oavsett om kylan får dig att sätta på dig broddar eller skridskor är orsaken densamma: is är förunderligt halt.

– Det beror på ytsmältning. Översta lagret av isen blir mjukare och får egenskaper någonstans mellan vatten och is, säger Bo Persson, forskare vid Peter Grünberginstitutet i Jülich i Tyskland.

Han har forskat om tribologi, eller läran om smörjning, friktion och nötning, i 20 år. I december publicerade han en matematisk modell för hur halt is är i tidskriften Journal of Chemical Physics.

– Mitt huvudbidrag är att jag lyckats beskriva både temperaturberoendet och hastighetsberoendet, säger Bo Persson.

Att vi kan dra nytta av isens och snöns egenskaper upptäckte vi för mycket länge sedan. De äldsta skidor som hittats är mer än 7.000 år gamla, och de äldsta skridskorna är runt 5.000 år. Men det var först i mitten av 1800-talet som forskare började undersöka varför isen blir så hal.

– Under 150 år gjordes det en massa experiment, men inte så många framsteg, säger Bo Persson.

Den engelske fysikern Michael Faraday, som är mest känd för sina banbrytande experiment med elektricitet och magnetism, var en av de första som studerade fenomenet. Han var på rätt spår när han menade att det finns en tunn hinna av vatten på isens yta, och att det är därför två isbitar fryser ihop när de trycks mot varandra.

Men de irländska bröderna James och William Thomson hade en annan teori. James Thomson menade att det är först när isbitarna pressas ihop som isen vid ytan börjar smälta till vatten som sedan kan frysa ihop. Hans bror William, som senare blev adlad och fick namnet Lord Kelvin, gjorde experiment som tydde på att det verkade stämma. När is utsätts för tryck sjunker smältpunkten, alltså temperaturen då isen smälter.

Från slutet av 1800-talet och hundra år framåt använde fysiker James Thomsons teori för att förklara varför skridskor glider så bra på is. Eftersom skridskons blad är smala blir trycket under dem mycket högt. Därför smälter isen under skridskon, och vi kan glida fram på en hinna av flytande vatten, menade fysikerna.

Men det stämmer bara vid temperaturer på några få minusgrader. Trycket från en skridsko kan sänka smältpunkten till –3,5 grader, men det går ju utmärkt att åka både skridskor och skidor när det är betydligt kallare än så.

I stället är det friktionen mellan skridskon och isens yta som får den att smälta.

– Det finns alltid ojämnheter i material. När två ytor dras mot varandra värmer friktionen upp dem, och isen börjar smälta när det blir tillräckligt varmt, säger Bo Persson.

Isen smälter inte helt och hållet. Ytan blir hal av det som kallas ytsmältning eller försmältning, som innebär att vattenmolekylerna i det översta lagret av isen kan röra sig mycket mer än de kan längre ned i isen, men mindre än i flytande vatten. Fysikerna kallar det också för en kvasivätska.

– Friktionen går ned mot noll redan långt under smälttemperaturen, säger Bo Persson.

Fenomenet ytsmältning finns även i andra material.

– Guld har också ytsmältning, fast då är det förstås vid mycket högre temperaturer, säger Bo Persson.

Om du går väldigt långsamt och försiktigt är isen inte så hal. Då känner du dig säkrare och börjar gå snabbare, men då minskar friktionen, och så faller du.

Det ovanliga med is och snö är att det försmälta lagret är tjockare än i andra ämnen och att ytsmältning finns i ett så stort temperaturspann. Därför går det utmärkt att åka både skidor och skridskor även när det är riktigt kallt. Robert Falcon Scotts brittiska sydpolsexpedition som nådde polen i januari 1912, en månad efter Roald Amundsen, hade inga problem med att ta sig fram på skidor vid –30 grader. Men vid –46 var snön som sand, enligt efterlämnade anteckningar av expeditionens forskningsledare Edward Wilson.

– Det var en av huvudanledningarna till att alla i expeditionen dog, säger Istvan Furo, professor i tillämpad fysikalisk kemi vid Kungliga Tekniska högskolan KTH i Stockholm.

Ytsmältningen gör också att vatten kan vandra genom isen och snön, och att stenar och andra föremål kan förflytta sig upp till ytan i ett jordlager som utsätts för frysning och smältning. Det är även därför mat kan bli torr i frysen, eftersom vattenmolekyler djupt inne i steken eller limpan kan komma ut till ytan och förångas, enligt Istvan Furo.

– Det finns flera grundläggande fenomen hos is och försmältning som vi inte riktigt förstår. Teorier och mätningarna skiljer sig, ibland med så mycket som en faktor 100. Det är ovanligt i modern vetenskap, säger han.

Bo Perssons matematiska modell för ishalka bygger på många olika experiment som andra forskare har gjort vid olika temperaturer och hastigheter, från några tusendels millimeter per sekund till tio centimeter per sekund.

– Friktionen sjunker kontinuerligt med hastigheten, säger han.

Nu deltar Bo Persson i en större studie om hur gummi glider på is. Det är viktigt att förstå för företag som vill tillverka säkra vinterdäck.

– Det är ett komplicerat område, och det är inte så lätt att göra experiment, eftersom isens egenskaper påverkas av föroreningar och salt på ytan, säger han.

Den viktigaste lärdomen från hans matematiska modell är att isen blir halare ju fortare vi rör oss, menar han.

– Jag kallar det bananeffekten. Om du går väldigt långsamt och försiktigt är isen inte så hal. Då känner du dig säkrare och börjar gå snabbare, men då minskar friktionen, och så faller du.

Fakta. Tribologi

• Läran om smörjning, friktion och nötning, från grekiskans tribo, som betyder gnida, nöta, slita.

• Tribologi handlar om vad som händer när två ytor glider eller rullar mot varandra. Termen myntades i Storbritannien på 1960-talet.

• Tribologi är en tvärvetenskap, och innefattar ämnen som kemi, materialvetenskap, strömningslära och hållfasthetslära.

• Vad som sker påverkas av många olika faktorer, till exempel ytornas material, form, utseende, ytbehandling, belastning, hastighet, rörelsesätt och miljö.

Källa: NE

Så här jobbar DN med kvalitetsjournalistik: uppgifter som publiceras ska vara sanna och relevanta. Rykten räcker inte. Vi strävar efter förstahandskällor och att vara på plats där det händer. Trovärdighet och opartiskhet är centrala värden för vår nyhetsjournalistik. Läs mer här.