תעלומה פיזיקלית על הקרח

ב-6 בפברואר 2026 נפתחו משחקי החורף האולימפיים במילאנו ובקורטינה ד’אמפצו שבאיטליה. ספורטאים מכל העולם מתחרים בענפי גלישה, החלקה ועוד. הוותיק מבין ענפי הספורט האלה הוא ההחלקה האמנותית על הקרח, שהוכר כענף רשמי במשחקים האולימפיים בלונדון ב-1908, והיה הראשון להיכנס למשחקי החורף האולימפיים כשנערכו לראשונה בשנת 1924 בשאמוני שבצרפת. בענף זה, מחליקים המשתתפים על הקרח במהירות שיכולה להגיע גם ל-25 קילומטרים בשעה, במטרה לבצע את הריקוד המרשים ביותר מבחינת טכניקה ואסתטיקה. במהלך השנים נוספו ענפי החלקה נוספים, כאשר בענף ההחלקה המהירה על הקרח המתחרים מגיעים גם למהירויות גבוהות במיוחד של יותר מ-50 קמ”ש, ובתחרויות המזחלות, שנעות על להבי מתכת דקים, המהירויות מגיעות ליותר ממאה קמ”ש. 

פעולת ההחלקה על הקרח יכולה להיראות לנו מובנית מאליה, ורבים מאיתנו כנראה גם התנסו בה בעצמם. אבל באופן מפתיע, המנגנונים הפיזיקליים שמאפשרים את ההחלקה הזאת מסובכים מכפי שהיה ניתן לחשוב, ולמעשה, חלקם שנויים במחלוקת בקרב הפיזיקאים עד היום. אז למה פני הקרח חלקים כל כך, ומדוע המחליקיים מאפשרים להגיע למהירויות כה גבוהות?

לוחצים על הקרח

התיאוריה הוותיקה והידועה ביותר התבססה במאה ה-19, עם התפתחותה של תורת החום, התרמודינמיקה. המים, כידוע, יכולים להופיע בשלושה מצבי צבירה שונים: מוצק (קרח), נוזל (מים) וגז (אדים). כפי שאנו מכירים מחיי היום יום שלנו, כאשר אנחנו משנים את טמפרטורת המים, אנחנו יכולים לשנות את מצב הצבירה שלהם. כשהמים מגיעים לאפש מעלות צלזיוס, הם קופאים והופכים לקרח. אולם, למים יש תכונה ייחודית וכמעט בלעדית בטבע, שנקראת “האנומליה של המים“: בעוד שרוב החומרים מתמצקים תחת לחץ, המים עושים את ההפך. תחת לחץ גבוה, נקודת הקיפאון של המים זזה, והמים קופאים בטמפרטורה נמוכה יותר. לכן, על פי תיאוריית ההחלקה על בסיס לחץ, כאשר אנו נוגעים בקרח, אנו מפעילים עליו לחץ, מה שמזיז את נקודת הקיפאון של המים, ופני הקרח הופכים למים שעליהם אנו מחליקים. לחץ הוא כוח שמפעילים על יחידת שטח מסוימת: ככל שמפעילים כוח על שטח יותר קטן, הלחץ נעשה יותר גדול. לכן, בבסיס המחליקיים מצויים להבים דקים ביותר, שמאפשרים הפעלת לחץ גדול על שטח קטן של קרח, כדי שיהפוך למים.

הבעיה בתיאוריה זו היא שככל שטמפרטורת המים נמוכה יותר, הלחץ שנדרש כדי להפוך את הקרח למים הולך וגדל. בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, הלחץ הנדרש כדי להחליק נהיה גבוה בהרבה ממה שמשקל גופו של אדם יכול לייצר. אילו התיאוריה הייתה נכונה, כדי להחליק ביום חורפי וקר במיוחד, היה צריך להשתמש במחליקיים עם רוחב דקיק עד כדי גיחוך. בעיה נוספת היא שלא באמת צריך לחץ כזה גדול כדי להרגיש את חלקלקות הקרח, ומייקל פאראדיי (Faraday) המחיש זאת כבר במהלך המאה ה-19 כשהראה ששתי קוביות קרח צמודות נדבקות זו לזו, כמעט ללא הפעלת כוח, מה שהמחיש כי נוצרה על פניהן שכבה נוזלית. 

תיאוריות נוספות

בעקבות ניסוי זה, פאראדיי העלה תיאוריה חלופית ולפיה כבר לפני שהקרח מתחיל להפשיר באופן פעיל, מתפתחת על גביו שכבה טבעית ודקה מאוד דמויית נוזל. לפי גישה זו, פני השטח של הקרח אינם יציבים, והמולקולות בשכבה החיצונית ביותר רוטטות ומתנהגות כמו נוזל גם בטמפרטורות נמוכות מאוד. הבעיה בתיאוריה זו היא שהיינו מצפים שחומרים שונים יחליקו על קרח באופן דומה, כפי שאם נשפוך שמן על כביש, צמיג גומי יחליק עליו באופן דומה לחישוק ממתכת. אבל לא זה המצב בפועל. כלומר, התיאוריה לא מצליחה להסביר מדוע חומרים שונים מחליקים על קרח באופן כה שונה מזה. בימי חייו של פאראדיי, שמת ב-1867, לא היה אפשר לבחון את התיאוריה, והיא זכתה לעדנה מסוימת בשנים האחרונות כאשר בחינה מיקרוסקופית של חלקיקי הקרח נעשתה אפשרית.

תיאוריה נוספת שהוצעה בסוף שנות ה-30 של המאה העשרים קישרה את תופעת ההחלקה לחיכוך שמפעיל הגוף במהלך תנועה על הקרח. כאשר גוף נע על משטח, החיכוך בינו לבין המשטח גורם לשחרור אנרגיה בצורת  חום. החום מתיך את הקרח, מה שגורם להיווצרות שכבה של מים שעליה מחליק הגוף. עם זאת, חוקרים שניסו למדוד את השינויים בטמפרטורת הקרח כאשר גוף מחליק עליהם במהירות מסוימת בטמפרטורה של שבע  מעלות צלזיוס מתחת לאפס, לא זיהו הגעה של הקרח לאפס מעלות. כלומר, ההחלקה מתבצעת גם בלי להתיך את הקרח למים.

נראה כי ישנם הסברים שונים מדוע קרח חלק, אבל בתנאים מסוימים הם אינם תקפים. כלל האצבע אומר שאם יש יותר מדי הסברים – חלקם כנראה שגויים או בעייתיים. 

לתלוש את המולקולות

כאן נכנס מחקר חדש שפרסמה לאחרונה קבוצת חוקרים מאוניברסיטת חבל הסאר (Saarland) בגרמניה. התיאוריה במאמר שואבת השראה מתופעה דומה, שנצפתה בסיליקון וביהלום. כמו כל גביש אחר, המולקולות בקרח מסודרות בצורה מחזורית. היחידה היסודית בגביש, מולקולת המים, מורכבת מאטום של חמצן ומשני אטומי מימן. מכיוון שאטום החמצן נוטה למשוך אליו אלקטרונים יותר מאטום המימן, האלקטרונים במולקולת המים נוטים לבלות סביב החמצן יותר מאשר סביב המימן. כך נוצר דיפול חשמלי – מצב שבו צד אחד של המולקולה טעון במטען חשמלי שלילי יותר, וצידו האחר טעון במטען חיובי יותר. בסך הכל המולקולה נייטרלית מבחינה חשמלית, אבל המטען אינו מפוזר בה באופן אחיד. 

כאשר הקרח בא במגע עם משטח אחר, כגון להב המחליקיים, השדה של החשמל הסטטי שנוצר במגע בין המשטחים מפעיל כוח על הדיפול של המולקולות בשכבת הקרח שקרובה למשטח. כאשר המשטח נע ביחס לקרח, השדה החשמלי מושך צד אחד של המולקולה ודוחף את השני, כך שהוא ממש תולש את המולקולות ממקומן הקבוע בגביש. כך נוצרת שכבה אמורפית של מולקולות מים: לא בדיוק נוזל ולא בדיוק מוצק, אלא חומר בעל צמיגות משתנה. שכבה זו היא החומר המסכך שעליו מתבצעת ההחלקה.

כדי לבחון את התיאוריה, עשו החוקרים הדמיות ממוחשבות של סידור המולקולות בקרח בטמפרטורות שונות. הסימולציה יכולה לדמות את המשטח שאיתו בא הקרח במגע, את הצורה שלו (ישרה או מעוקלת), המהירות שבה  הוא נע על גבי הקרח ואת מידת ההידרופוביות שלו – עד כמה מולקולות המים נמשכות אליו. מסקנות המחקר הראו שהמשטח שעליו אפשר להחליק במהירות הגבוהה ביותר הוא חלק והידרופילי. הלהב החלק והמתכתי של המחליקיים עונה באופן מושלם על תנאים אלו. 

מסקנה מפתיעה נוספת שעלתה מהמחקר היא שמנגנון ההחלקה הזה פועל בטמפרטורות נמוכות ביותר, אפילו קרוב לאפס המוחלט, מכיוון שהמנגנון לא מצריך יצירת חום כדי להתיך את הקרח. אלא שכאשר מתבצעת החלקה בטמפרטורות כה נמוכות, ההחלקה אינה אפקטיבית, מכיוון שהצמיגות של שכבת הסיכוך גבוהה מדי.

כמו תמיד בפיזיקה, סימולציה אינה עומדת לבדה, ואת התיאוריה יהיה צריך לבחון בניסוי מעשי. כשהמחליק האמריקאי איליה מלינין (Malinin), אלוף העולם הנוכחי בהחלקה אמנותית עולה לזירה, הוא כנראה לא מוטרד  במיוחד מהשאלה מה בדיוק מאפשר לו להוציא לפועל את התרגילים שהוא מבצע באופן כה מרהיב. ואולי יש עדיין קסם בידיעה שתופעה כה יפה עדיין אינה זוכה להסבר מלא.