Naar de content

Mysterie van ijs nog niet ontrafeld

Pixabay, kostiolavi via CC0

Binnenkort starten de Olympische Winterspelen, waar honderden sporters hun kunsten vertonen op verschillende ijsbanen. Maar waarom is ijs eigenlijk zo glad? Onderzoeker Tjerk Oosterkamp speurt naar de laatste ontbrekende puzzelstukjes om deze vraag te kunnen beantwoorden.

Update 9 februari 2021

In hun publicatie in Physical Review X laat een groep natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam zien hoe temperatuur, druk en snelheid van de schaats samen de gladheid van het ijs bepalen. Deze drie factoren beïnvloeden samen hoe beweeglijk de watermoleculen in het bovenste laagje van het ijs zijn. Een uitgebreide uitleg van hun theorie lees je hier.

Drie schaatsers op een baan.

Zullen de Nederlanders in Pyeonchang weer veel medailles binnenhalen bij het schaatsen?

 adrian8_8, via Flickr

Op 10 februari klinkt het eerste startschot en gaat het schaatstoernooi op de Olympische Winterspelen in Pyeongchang, Zuid-Korea echt beginnen. Over de uitkomst kunnen we alleen nog maar speculeren, maar één ding weten we zeker: de schaatsers zullen met snelheden van rond de zestig kilometer per uur over een dun laagje bevroren water zoeven. Maar hoe kan het eigenlijk dat ijs zo glad is? Je zou denken dat we dat al wel weten, maar er blijken toch nog invloeden te zijn die we tot nu toe niet kenden.

Vrijdagmiddag

Een vrijdagmiddagproject, zo noemt hoogleraar Tjerk Oosterkamp zijn onderzoek naar de gladheid van ijs. Oosterkamp doet in zijn lab aan de Universiteit Leiden normaal gesproken onderzoek naar de grondslagen van kwantummechanica, maar samen met zijn collega Gert Koning heeft hij de afgelopen jaren ook een apparaat gebouwd om ijs te analyseren. Ook bachelorstudenten op zoek naar een leuk project werken mee aan het project. “Het begon met een paar sensoren”, lacht Oosterkamp. “Maar het groeide uit tot een heel systeem waar we vrijwel alle belangrijke factoren zoals druk, temperatuur en luchtvochtigheid kunnen regelen.”

Maar waarom al deze moeite? Afgelopen november liet de Nederlandse AMOLF-onderzoeker Huib Bakker nog zien dat het bovenste laagje van het ijs nooit echt bevriest. De watermoleculen in deze laag zitten niet vast in het netwerk en houden een zekere bewegingsvrijheid. Eigenlijk ligt er dus altijd een laagje water op het ijs dat de wrijving sterk vermindert. Verklaring gevonden, zou je zeggen. “Volgens mij is dat niet de enige reden”, zegt Oosterkamp. “Als je schaats over het ijs gaat, komt er ook veel wrijvingswarmte vrij. Met deze energie snij je veel dieper in het ijs dan alleen in dat bovenste laagje en smelt je een veel grotere laag van het ijs.”

Indeuken

Volgens Oosterkamp kun je de gladheid van ijs dus niet op één manier verklaren: “Het is een combinatie van allerlei factoren. De druk in de ruimte die het ijs een klein beetje laat smelten, de losse moleculen in de buitenste laag van het ijs die zich sowieso al als vloeistof gedragen en de energie die de schaats loslaat op het ijs, het speelt allemaal mee.”

Hoe snel je met deze ijzers over het ijs vliegt hangt af van verschillende factoren.

 Wikimedia Commons, Martijn Kleingeerts via CC BY 2.0

Oosterkamps collega en emeritus hoogleraar Hans van Leeuwen heeft een poging gewaagd om al deze factoren in formules te vangen en zo uit te rekenen hoe je ijs optimaal glad maakt. Van Leeuwen wist de formules uiteindelijk mooi op elkaar aan te laten sluiten, maar er bleek informatie te missen: “IJs is niet oneindig hard als diamant, zo’n schaats zorgt ervoor dat het vervormt en indeukt”, legt Oosterkamp uit. “Voor materialen weten we de zogenoemde vloeigrens, de kracht die het kost om een materiaal te vervormen. Maar om de berekening voor ijs kloppend te maken, moeten we ook nog weten hoe snel het vervormt als de druk hoger is dan de vloeigrens.”

Geld van de koning

Zonder deze informatie is het model niet compleet, en weten de onderzoekers nog steeds niet precies wat er gebeurt tijdens het schaatsen. “Met deze gegevens zouden we het optimale ijs kunnen bepalen”, zegt Oosterkamp. “Hoewel luchtweerstand bij een schaatswedstrijd veel meer invloed heeft, kan de kwaliteit van het ijs toch zeker wel honderdsten schelen tijdens een wedstrijd van een minuut. Tijdens een wedstrijd van vijf kilometer kun je dus al snel 60 milliseconden winnen. Soms maakt dat het verschil tussen zilver en goud.”

Oosterkamp probeert nu geld in te zamelen om het raadsel op te lossen. “Dit zijn geen onderwerpen waar je normaal gesproken financiering voor krijgt, dus gaan we een crowdfunding opzetten.” Daarnaast hoopt hij dat de koning misschien wel een bijdrage wil leveren. “Hij heeft de Elfstedentocht geschaatst en ik heb tijdens de kroning zelfs het Elfstedenkruisje op zijn borst ontdekt, tussen de andere medailles. Wie weet wil hij ons wel helpen.”

ReactiesReageer