Je leest:

Op glad ijs

Op glad ijs

Auteur: | 1 maart 1999

Elke winter stelt zich opnieuw de vraag hoe goed het ijs zal glijden. IJsvorming is een ingewikkeld proces waarbij tal van factoren een rol spelen.

Gletsjers

Druk verlaagt het vriespunt van ijs; daardoor kan ijs onder druk smelten. Je kunt dit effect heel eenvoudig thuis onderzoeken. Over een ijsblok dat aan beide uiteinden ondersteund is, leg je een stalen lus. Hieraan hang je een zwaar gewicht. De staaldraad zakt langzaam door het ijs zonder het blok in tweeën te splitsen.

James Thomson (1822 – 1892) kwam tot een verklaring van dit verschijnsel. Hij is de oudere broer van William Thomson, bekend als Lord Kelvin. Het ijs ondervindt onder de staaldraad een enorme druk, dit verlaagt het vriespunt onder de draad. Het ijs onder de draad smelt, ook al is het onder 0 oC. De draad zakt door het smeltwater. Het smeltwater dat nu niet meer onder druk staat bevriest opnieuw. Dit gebeurt voortdurend en de draad zakt mysterieus door het ijs.

Links James Thomson (1822 – 1892) en rechts zijn oudere broer William Thomson (1824-1907), beter bekend als Lord Kelvin.

Dit is ook de reden waarom gletsjers om rotsen heen glijden hoewel ze uit vast ijs bestaan. Het ijs dat door de schuivende ijsmassa tegen de rotsen wordt gestuwd komt onder hoge druk. Het smeltpunt van het ijs op die plaats daalt en het ijs smelt. Het smeltwater loopt om de hindernis en bevriest opnieuw. Zo schuift een gletsjer om obstakels als in slow motion naar beneden.

Schaatsen

Lange tijd werd aangenomen dat dit principe ook geldt voor schaatsers. Het schaatsijzer drukt zo hard op de bovenste ijslaag, dat daar het smeltpunt daalt. Er ontstaat een dun laagje water onder de schaats. Bovendien zou de warmte afkomstig van de wrijving tussen schaats en ijs ook ijs doen smelten.

Begin jaren negentig werd duidelijk dat deze theorieën niet waar kunnen zijn. IJskristallen bestaan uit talloze precies in elkaar passende gelijkzijdige zeshoeken. De zuurstofatomen bevinden zich op de hoekpunten van de zeshoeken. Deze hexagonale structuur is zeer poreus, vergelijkbaar met kippengaas maar dan wel in de drie dimensies.

IJs bestaat uit hexagonale (zeshoekige) eenheden. Bron:www.ice.chem.wisc.edu

De moleculen in de grenslaag tussen ijs en lucht hebben onderling maar één of twee bindingen. Het ijsoppervlak wordt zodoende bedekt met een dun laagje moleculen die beweeglijker zijn dan de moleculen eronder. De grenslaag tussen lucht en ijs krijgt op die manier de eigenschappen van een vloeistof. Wanneer de schaats over het ijs glijdt, worden de moleculen roterende rollertjes. Een laagje van twee moleculen dik leidt tot de sterk verlaagde wrijvingsweerstand.

Bij extreme koude verdwijnen deze losse moleculen, vandaar dat het op erg koud ijs niet zo gemakkelijk schaatst. Tegelijkertijd is het ook zo dat naarmate de temperatuur van het ijs lager is, de schaats minder diep in het ijs zakt waardoor de wrijvingsweerstand afneemt.

Wetenschappers van de Vrije Universiteit Amsterdam verrichtten metingen aan ijs in het Thialf-stadion in Heerenveen. Hieruit blijkt dat ijs van – 7 oC of – 8 oC het beste glijdt. Het ideale ijs hangt echter ook van de wensen van de schaatser af. Hoe harder het ijs, hoe groter de angst van de sprinters voor de laatste binnenbocht. Een korte-baanrijder heeft daarom graag extra grip op het ijs. Voor hem is iets zachter ijs van – 6 oC aangewezen. Voor een lange-afstandsrijder is ijs van – 8oC dan weer prima.

Het Thialf-stadion in Heerenveen.

In het Thialf-stadion maken vijf compressoren gasvormige ammoniak vloeibaar. De vloeibare ammoniak wordt in een netwerk van buizen, dat zich onder de ijsbaan bevindt, geleid. Vanwege de lagere druk in de buizen verdampt de ammoniak vrijwel onmiddellijk waardoor het afkoelt tot – 12 oC.

Zwart ijs

‘Zwart’ ijs schaatst het lekkerst. Zwart ijs is natuurlijk niet zwart, maar zuiver en dus mooi doorzichtig. De kleur die het lijkt te hebben komt van de ondergrond. Het is water dat bij het bevriezen een zuiver kristalrooster heeft gevormd. Er zitten bijvoorbeeld geen luchtbelletjes tussen, zodat het geheel mooi glad en hard wordt.

‘Zwart’ ijs schaatst het lekkerst. Zwart ijs is natuurlijk niet zwart, maar zuiver en dus mooi doorzichtig. De kleur die het lijkt te hebben komt van de ondergrond.

De ijslaag kan ook veel luchtbelletjes bevatten. Meestal bevinden ze zich boven elkaar in verticale rijtjes. De reden hiervan is dat ijskristallen bestaan uit talloze, precies in elkaar passende gelijkzijdige zeshoeken. Bij de vorming van de kristallen is er geen ruimte meer voor de luchtmoleculen die in het water waren opgelost. Naarmate het water verder bevriest, komt de hierin opgeloste lucht vrij. De belletjes verzamelen zich net onder het ijs. De snel aangroeiende ijslaag sluit deze belletjes in. De rijen luchtbellen geven de richting van het bevriezen aan.

Afhankelijk van de hoeveelheid lucht in het water vormen zich meer of minder belletjes in het ijs. Het ijs kan zo bijna helemaal wit worden en ondoorzichtig, borstplaatijs. Omgekeerd kan het ijs helder zijn als glas, als heel weinig lucht in het water aanwezig was. De hoeveelheid belletjes geeft een aanwijzing over de zuiverheid. Ook zijn er gevallen bekend waarbij men het ijs op de plaats van een grote bel doorprikte. Het ontsnappende gas vatte vlam bij een brandende lucifer. Hier ging het duidelijk om methaan, ook bekend als moerasgas, dat zich uit de bodem had vrijgemaakt.

De eigenaardige strepenstructuur in dichtgevroren ondiepe waterplassen is ook zeer merkwaardig. Een ijslaag ontstaat doordat ijsnaalden zich vanaf de randen van de plas uitbreiden naar het midden toe. Deze naalden vormen dan een goed houvast voor het daaropvolgende bevriezend water. Ze groeien verder aan tot balkjes, deze sluiten zich aaneen tot een samenhangend laagje dat langzaam dikker wordt.

Een stevige wind zorgt dat het ijs snel aangroeit, wat gunstig is voor het ontstaan van een fraaie schaatsvloer. Maar als het te hard waait gaat de bevriezing langzamer omdat warmer water uit diepere lagen omhoog wordt geblazen. Sneeuw op het ijs is uiteraard ook niet gunstig voor een mooi aanvriezing. Nu maar afwachten hoe het ijs deze winter zal glijden.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 2 uit de jaargang 1999 van het blad Archimedes.

Dit artikel is een publicatie van Archimedes.
© Archimedes, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 maart 1999

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.