Schaatsen, ijs en kou

Voor onderhoudende experimenten heb je niet per se een groot laboratorium nodig. De luchtweerstand voor een schaatser meet je door met rollerskates naar de sportschool te gaan.

Waarom glijd je met schaatsen zo lekker over het ijs? Tot voor kort was de theorie vrij simpel: door je hele gewicht op twee dunne ijzertjes te zetten, verhoog je plaatselijk de druk op het ijs. Omdat water een kleiner volume heeft dan ijs, pers je het ijs als het ware samen tot een vloeistof – net zoals je vloeistoffen onder druk kunt samenpersen tot gas. Het bovenste laagje ijs vormt zo een dunne waterfilm die werkt als glijlaagje tussen schaats en ijsoppervlak. Het klinkt allemaal reuze logisch: op een dun laagje water ga je glijden, denk maar aan de badkamervloer. Helaas klopt het niet: met een paar relatief eenvoudige sommen kun je narekenen dat er iets schort aan de theorie.

De vriespuntverhoging van ijs onder druk is bekend − 7,3 Kelvin/10-8 Pascal − en je kunt uitrekenen wat de druk onder je schaatsijzers is. Stel dat je zeventig kilo weegt en, net als Cogito Ergo Boem schaatst op noren van 370 mm lang en 1,3 mm breed, dan is de totale druk op het ijs ongeveer 0,075 kilo per vierkante millimeter, 7,5 x 105 Pascal. Dat is net genoeg voor een vriespuntverhoging van 0,05 graden. Anders gezegd: volgens de theorie zou je als schaatser niet meer vooruit komen als het harder dan 0,05 graden vriest. Laten we het erop houden dat dat niet in overeenstemming is met de waarnemingen van de afgelopen winters.

Hoe zit het dan wel? Volgens Amerikaanse onderzoekers is ijs vooral glad vanwege de bijzondere oppervlaktestructuur. In een artikel in 1996 in het wetenschappelijke tijdschrift Surface Science schreven zij dat een dun bovenlaagje van ongeveer tweehonderd moleculen dik de eigenschappen heeft van een vloeistof, terwijl het toch een vaste stof is. Aan het oppervlak beginnen de watermoleculen al te trillen terwijl ze dieper in het ijs in een stevig kristalrooster zitten.

Om te zien hoe ijs zich gedraagt onder plaatselijke hoge druk, moet je naar buiten. Vis als het kan een stevig brok ijs uit de eendenvijver en leg dat op een emmer of iets dergelijks in de tuin, op het balkon, in de badkamer of op een andere plek waar het ijskoud is. Neem een kort stuk draad, bind aan beide uiteinden een flik gewicht en leg de draad over het ijs zodat de gewichten er aan beide zijden aan trekken. Als je na een halve dag nog eens kijkt, zie je als het goed is dat de draad zich heeft ingesmolten in het ijs. Als het goed is, is het blok boven de draad zelfs weer dichtgevroren.

Er zijn nog wel meer proeven denkbaar met het thema schaatsen, ijs en winterkou. Zo kun je bijvoorbeeld benaderen hoeveel wrijving je ondervindt op het ijs – ongeacht de werkelijke reden dat de wrijving zo laag is.
Neem een mountainbike met snelheidsmeter, een schaatser, een stuk touw en een unster. Trek met de fiets de schaatser met een constante snelheid vooruit. Lees de unster af en reken het aantal kilo om naar het aantal Newton door (mag niet, toch doen) te vermenigvuldigen met tien.

De totale wrijving is samengesteld uit de wrijving van de schaatsen op ijs en de luchtweerstand. Mocht de vorst deze winter niet meer terugkomen: geen nood. De proef werkt ook als je een paar skates gebruikt.

Met een stilstaande skater op een rolband (sportschool!) zou je de rolweerstand kunnen meten. Als je de proef vervolgens op straat uitvoert, kun je de rolweerstand aftrekken van de totale weerstand om de luchtweerstand te bepalen. En omdat de luchtweerstand van een skater en een schaatser vergelijkbaar zijn, kun je de gevonden waarde vervolgens gebruiken om de wrijving van schaatsen te berekenen.

Auteur: Ernst Arbouw