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Wie gleiten Schlittschuhe und Skier über Eis und Schnee?
Ein dünner Wasserfilm ermöglicht das mühelose Gleiten von Schlittschuhen und Skiern auf Eis und Schnee. Verursacht wird dieser Wasserfilm durch mehrere Effekte.
Mit über 60 km/h können Eisschnellläufer über das Eis rasen. Ermöglicht wird diese enorme Geschwindigkeit durch einen dünnen Wasserfilm zwischen den Schlittschuhkufen und dem Eis. Auch beim Skifahren und Rodeln gleiten die Sportler auf einem Wasserfilm. Doch wie kommt diese dünne Wasserschicht zustande?
Druck allein nützt nichts
Bereits vor 150 Jahren vermuteten Wissenschaftler einen Wasserfilm zwischen den Schlittschuhkufen und dem Eis, welcher den Eisläufern das mühelose Gleiten ermöglicht. Erklärt wurde dieses Phänomen damals durch den hohen Druck der Kufen auf das Eis, welcher das Eis schmelzen lasse. Die so genannte Schmelztemperatur, also die Temperatur, bei welcher ein fester Stoff zu schmelzen beginnt und dadurch flüssig wird, hängt zwar tatsächlich vom Druck ab, jedoch nur geringfügig: Um die Schmelztemperatur lediglich um 1°C zu erhöhen, müsste der Druck um etwa 100 bar zunehmen (das entspricht etwa einem Druck von 100 kg pro cm2)! Ein 70 kg schwerer Schlittschuhläufer übt über seine Kufen jedoch nur mickrige 23 bar auf das Eis aus. Dies entspricht zwar etwa dem Auflagedruck eines kleineren voll gepackten Lastwagens auf die Strasse, doch trotzdem kann dadurch die Schmelztemperatur des Eises um nur ungefähr ein viertel Grad erniedrigt werden. Wenn die Eistemperatur einige Grad unter dem Gefrierpunkt liegt, kann durch diesen Druck also kein Wasserfilm entstehen.
Reibungswärme hilft bei der Entstehung des Wasserfilms
Einige Jahre später zeigten verschiedene Wissenschaftler, dass die bei der Bewegung der Schlittschuhkufen über das Eis entstehende Reibungswärme zur Entstehung des Wasserfilms beiträgt. Beim Schlittschuhlaufen wirken zwei Reibungsarten: die Haftreibung und die Gleitreibung. Die Haftreibung spüren wir, wenn wir versuchen, den Schlittschuh aus dem Stand in Bewegung zu bringen. Sie kommt dadurch zu Stande, dass Oberflächen niemals völlig glatt sind, sondern mehr oder weniger rau. Deshalb muss eine gewisse Kraft aufgewendet werden, um zwei Festkörper gegeneinander zu bewegen. Ohne Haftreibung würde im Alltag gar nichts funktionieren! Beim Fahrradfahren würdest du nicht von der Stelle kommen, da die Räder durchdrehen würden, und abgestellte Gegenstände wie Möbel würden nicht an ihrem Platz bleiben, sondern bei der geringsten Berührung davongleiten.
Die Gleitreibung ist diejenige Reibung, welche beim Gleiten der Schlittschuhe über das Eis wirkt. Sie ist sehr viel kleiner als die Haftreibung. Die Gleitreibung bremst die relative Bewegung der Schlittschuhkufen gegen das Eis und wandelt mechanische Energie in Wärme um. Diese Wärme wird als Reibungswärme bezeichnet. Zu Nutze machen wir uns die Reibungswärme beispielsweise, wenn wir die frierenden Hände in den Wintermonaten durch schnelles Reiben über die Hose aufzuwärmen versuchen. Beim Schlittschuhlaufen oder Skifahren führt die Reibungswärme zu einem kurzfristigen Schmelzen des Eises beziehungsweise des Schnees. Ein 70 kg schwerer Schlittschuhläufer in Bewegung kann durch die Reibungswärme bis zu 12 mm3 Eis schmelzen.
Ein interessanter Effekt namens "Premelting"
Selbst mit der Reibungswärme lässt sich der Wasserfilm auf dem Eis aber nicht vollständig erklären. Verschiedene Experimente im 20. Jahrhundert zeigten, dass ein hauchdünner Film von geschmolzenem Wasser auf Eis auch unabhängig von Druck oder Reibung entsteht. Dieser Effekt ist bereits bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu beobachten, und damit nicht genug: Auch andere Festkörper wie z. B. Metalle zeigen in Experimenten diese Eigenschaft des "Premeltings" bei Temperaturen von etwa 10–100 °C unterhalb ihres Schmelzpunktes.
Welcher Effekt auch immer bei einer gegebenen Temperatur ausschlaggebend ist: Einzig der Wasserfilm ermöglicht die extrem niedrige Reibung von Kufen und Skiern auf Eis damit das mühelosen Gleiten, ohne das die meisten Wintersportarten undenkbar wären!