Łyżwa nie stopi lodu na mrozie. Poślizg daje nanometrowa warstwa

Krok na oblodzonym chodniku wystarcza, żeby stracić równowagę, choć pod podeszwą nie ma kałuży. Pod łyżwą jest podobnie: człowiek naciska lód bardzo mocno, a ten pozostaje śliski także wtedy, gdy na stopienie go samym ciężarem jest o wiele za zimno. Odpowiedź kryje się w cienkiej warstwie na samej powierzchni lodu, którą zauważono prawie dwieście lat temu i której pochodzenie wciąż budzi spory.

Skąd się wzięła historia z łyżwą

W połowie XIX wieku James Thomson zauważył, że ciśnienie obniża temperaturę topnienia lodu. Jego młodszy brat William, później lord Kelvin, potwierdził to doświadczalnie. Wniosek wyglądał przekonująco: łyżwa działa na niewielką powierzchnię, lód pod nią topi się, a woda smaruje stal. Wyjaśnienie trafiło do podręczników i siedzi w nich do dziś.

Liczby nie chcą się jednak zgodzić. Ciśnienie obniża temperaturę topnienia o około 0,007 stopnia na atmosferę. Dorosły o masie 80 kilogramów, stojący na łyżwie o powierzchni kontaktu około centymetra kwadratowego, wywiera ciśnienie mniej więcej osiemdziesięciu atmosfer. To przesuwa próg topnienia o pół stopnia, może o jeden. Lód o temperaturze minus dziesięciu stopni wymagałby ciśnienia rzędu 140 megapaskali, czyli ponad tysiąca atmosfer. Tuż poniżej zera topnienie pod ciśnieniem rzeczywiście zachodzi, ale już przy kilku stopniach mrozu łyżwa nie jest w stanie go wywołać.

W latach trzydziestych Frank Bowden i T. P. Hughes policzyli to inaczej i wyszło im, że narciarz musiałby ważyć tysiące kilogramów, żeby stopić lód własnym ciężarem^[1]. Zbudowali też stanowisko w lodowej grocie na szwajcarskim lodowcu Jungfraujoch i mierzyli opór różnych materiałów. Mosiądz, dobry przewodnik ciepła, dawał większy opór niż ebonit, bo odbierał lodowi ciepło potrzebne do stopienia. Stąd wzięła się druga wersja: lód topi nie nacisk, a tarcie.

Ta wersja ma jednak własną dziurę. Ciepło powstaje tam, gdzie łyżwa już przejechała, a nie tam, gdzie właśnie się opiera. Do tego śliskość nie zależy od prędkości. W eksperymencie z obracającym się kawałkiem metalu na mikroskopijnym lodowisku opór pozostawał podobny przy różnych prędkościach, choć przy szybszym ruchu powinno wydzielać się więcej ciepła.

Woda, która nie spadła z nieba

Zupełnie inną drogą poszedł Michael Faraday. W 1842 roku zauważył, że dwie kostki lodu przyłożone do siebie zrastają się w jedną, a ciepła dłoń przykleja się do lodu. Wyjaśnienie narzucało się samo: powierzchnia lodu zachowuje się jak ciecz, choć lód jest poniżej zera^[2]. Faraday nie umiał powiedzieć dlaczego.

Dziś wiadomo, że chodzi o geometrię wiązań. W środku kryształu każda cząsteczka wody trzyma się sąsiadów z kilku stron. Na powierzchni ma ich mniej, więc część wiązań zostaje wolna, a cząsteczki mogą się przesuwać. Powstaje warstwa o grubości kilku cząsteczek, która zachowuje się jak bardzo lepka ciecz. Im bliżej zera stopni, tym jest grubsza i bardziej ruchliwa.

Nie jest to woda z kranu. W 2023 roku zespół z Argonne National Laboratory obejrzał taką warstwę w mikroskopie elektronowym na nanocząstkach lodu o temperaturze od minus 143 do minus 128 stopni Celsjusza. Miała od jednego do pięciu nanometrów grubości, rosła wraz z temperaturą i była bezpostaciowa, czyli pozbawiona uporządkowania kryształu. Badacze opisali ją jako fazę bliższą bardzo lepkiej, metastabilnej cieczy niż zwykłej wodzie. Woda na lodzie bywa czymś innym niż woda w szklance.

Dlaczego lód jest twardy, a jednak śliski

W 2021 roku zespół z Uniwersytetu w Amsterdamie zmierzył jednocześnie tarcie i twardość lodu, w temperaturach od minus 120 do minus 1,5 stopnia. Przy niższych temperaturach opór rósł zgodnie z prawem Arrheniusa, czyli tak, jakby decydowała o nim ruchliwość cząsteczek na powierzchni. Zwiększenie nacisku tę ruchliwość blokowało i tarcie rosło gwałtownie. Blisko zera lód okazywał się na tyle miękki, że ślizgacz wgryzał się w powierzchnię i oral ją jak pług^[3].

Ten szczegół tłumaczy coś, co wcześniej nie pasowało. Większość ciał stałych tuż przed stopieniem mięknie i przestaje się po nich ślizgać. Lód zachowuje się odwrotnie: pozostaje twardy, więc łyżwa się w nim nie zapada, a jednocześnie jego powierzchnia jest ruchliwa.

Różne kształty ślizgaczy zaczynają oral lód w różnych temperaturach. Mała kulka przy tym samym nacisku wchodziła w lód już przy minus 20 stopniach, a szeroki fragment łyżwy dopiero przy minus 8^[4]. Większa powierzchnia kontaktu to mniejsze ciśnienie, więc jazda na płasko jest śliska. Kiedy łyżwa się przechyla, na krawędzi powstaje nacisk wystarczający, żeby lód oral. Stąd dwa ostrza w łyżwach: płasko się jedzie, na krawędzi się skręca.

Nowa propozycja: warstwa bez struktury

W 2025 roku zespół z Uniwersytetu Saary w Saarbrücken opublikował symulacje molekularne, które podważają wszystkie trzy starsze wyjaśnienia naraz. Zdaniem autorów nacisk potrzebny do stopienia lodu wymagałby nierealnie małej powierzchni kontaktu, ciepło tarcia przy realnych prędkościach nie wystarcza, a przy bardzo niskich temperaturach lód pozostaje śliski, choć warstwy wody na nim nie ma. W ich symulacjach dwie powierzchnie lodu przyciągają się jak magnesy i tworzą drobne zimne spoiny, które pękają przy przesuwaniu. Kryształ się przy tym nie topi, tylko mechanicznie traci uporządkowanie i zamienia w warstwę bezpostaciową, która z czasem gęstnieje^[5].

Nie wszyscy się zgadzają. Luis MacDowell z Uniwersytetu Complutense w Madrycie, autor wcześniejszych symulacji, uważa, że bezpostaciowienie zachodzi tylko przy dużych prędkościach, czego autorzy nie wykluczają, ale i nie potwierdzają. Daniel Bonn z Amsterdamu widzi w nowym opisie raczej nową nazwę na to samo zjawisko, które jego zespół mierzył w laboratorium. Sergey Sukhomlinov z Saary twierdzi z kolei, że to dwa różne mechanizmy. Spór dotyczy tego, czy lód pod łyżwą topi się, czy tylko traci krystaliczny porządek, a nie tego, czy poślizg naprawdę istnieje.

Co pozostaje pewne? Powierzchnia lodu nie jest zamrożonym lustrem kryształu. To obszar o grubości kilku nanometrów, w którym cząsteczki wody mają znacznie więcej swobody niż głębiej, a tarcie zależy od tego, jak łatwo się przemieszczają. Dlatego lód ślizga także na mocnym mrozie i dlatego śliskość zmienia się z temperaturą, wilgotnością i rodzajem ślizgacza. Reszta, czyli pochodzenie tej warstwy, pozostaje przedmiotem sporów, w których każda ze stron ma za sobą pomiary albo symulacje, ale żadna nie ma dowodu rozstrzygającego.

Dla kogoś, kto właśnie idzie oblodzonym chodnikiem, wniosek jest praktyczny. Śliskość nie jest cechą, którą lód ma albo nie ma. Zależy od temperatury i od tego, czy postawisz cały ciężar na małej powierzchni, czy rozłożysz go szeroko.

Źródła

1. Paulina Rowińska, „Why Is Ice Slippery? A New Hypothesis Slides Into the Chat.”, Quanta Magazine, 8 grudnia 2025, czytane 27 października 2026. https://www.quantamagazine.org/why-is-ice-slippery-a-new-hypothesis-slides-into-the-chat-20251208/
2. Yulin Lin, Tao Zhou, Nathan D. Rosenmann i in., „Surface premelting of ice far below the triple point”, PNAS 120 (44), 2023, e2304148120, czytane 27 października 2026. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10622896/
3. Rinse W. Liefferink, Feng-Chun Hsia, Bart Weber, Daniel Bonn, „Friction on Ice: How Temperature, Pressure, and Speed Control the Slipperiness of Ice”, Physical Review X 11, 011025, 2021, czytane 27 października 2026. https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011025
4. Kārlis Agris Gross, „A Penetrating Look at Ice Friction”, Physics 14, 20, 2021, czytane 27 października 2026. https://physics.aps.org/articles/v14/20
5. Achraf Atila, Sergey V. Sukhomlinov, Martin H. Müser, „Cold Self-Lubrication of Sliding Ice”, Physical Review Letters 135, 066204, 2025, czytane 27 października 2026. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/1plj-7p4z
6. Zdjęcie: JIP, „Icy tram stop on Hämeentie on an evening in January 2024”, Wikimedia Commons, licencja CC BY-SA 4.0, kadr do proporcji 16:9 i zmiana rozmiaru. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Icy_tram_stop_on_H%C3%A4meentie_on_an_evening_in_January_2024.jpg