Fisika untuk Hiburan 88 (Panas): Mengapa Permukaan Es Lincir?

Dalam artikel: Fisika untuk Hiburan 53 (Gravitasi): Mengapa Jarum Menusuk?, kita telah melihat hubungan antara gaya yang menghasilkan tekanan yang lebih besar jika gaya tersebut diaplikasikan pada luas permukaan yang lebih kecil.

Artikel ini juga akan menunjukkan perbedaan sebuah permukaan yang licin (smooth) dengan yang lincir (slippery), dan bergelombang atau berjendul (bumpy).

Sekarang, dalam satu lagi topik Panas dari Fisika untuk Hiburan, kita akan melihat hubungan tekanan dengan penurunan titik leleh.

Seseorang jauh lebih mudah tergelincir di atas permukaan lantai yang dikeramik ketimbang di atas permukaan tanah.

Sekarang, bukankah es yang licin seharusnya jauh lebih lincir ketimbang es yang berjendul?

Namun, bertentangan dengan yang diperkirakan, sebuah kereta luncur berjalan jauh lebih mudah di atas es yang berjendul ketimbang di atas es yang licin, yang mungkin Anda perhatikan sendiri jika Anda pernah menarik kereta luncur. Kenapa es yang berjendul itu lebih lincir daripada es yang mengkilap?  

Es itu lincir bukan karena licin tetapi karena titik lelehnya menurun ketika tekanan dinaikkan.

Mari kita lihat apa yang terjadi ketika kita menaiki kereta luncur atau papan luncur. Pada papan luncur, kita membawa seluruh berat tubuh kita ke bawah pada luas permukaan yang sangat kecil, hanya beberapa milimeter persegi.

Ada contoh kereta luncur besar yang digunakan untuk mengangkut beban 70 ton dan ditarik oleh 2 ekor kuda dalam artikel saya: Fisika untuk Hiburan 71 (Gaya, Usaha, Friksi): Tanpa Friksi, Bagaimana?
 
Seseorang yang bermain papan luncur memberikan tekanan yang cukup besar pada permukaan es.

Dengan adanya tekanan yang kuat, es mencair pada temperatur yang lebih rendah. Misalnya, jika temperatur es 5C di bawah nol dan tekanan papan luncur telah menurunkan titik leleh es di bawahnya sebesar 6 atau 7C, maka es ini akan mencair. Ini menimbulkan lapisan tipis air antara bilah papan luncur dan es.

Tidak heran jika pemain papan luncur meluncur, atau lebih tepatnya menggelincir, dan segera setelah dia bergerak lebih jauh, hal yang sama terulang kembali.

Pemain papan luncur terus meluncur di atas sebuah lapisan air yang tipis. Hanya es yang memiliki sifat ini.

Seorang fisikawan Soviet bahkan menyebut es sebagai "satu-satunya benda alam yang lincir." Semua benda licin yang lain licin tetapi tidak lincir.

Sekarang kita kembali ke pernyataan di atas. Mengapa es berjendul lebih lincir ketimbang es yang licin?

Kita sudah tahu bahwa berat yang sama memberikan tekanan yang lebih kuat ketika bertumpu pada luas permukaan yang lebih kecil. Kapan seseorang memberikan lebih banyak tekanan? Di atas permukaan es yang licin? Atau di permukaan atas es yang berjendul?
Sangat jelas bahwa dia memberikan lebih banyak tekanan pada es yang berjendul karena dalam hal ini dia hanya ditopang oleh beberapa jendulan dalam es. Semakin besar tekanan yang diberikan, semakin mudah es mencair, dan akibatnya es itu menjadi semakin lincir, asalkan papan luncur cukup lebar (ini tidak akan berlaku untuk bilah papan luncur yang karena energi gerak dikeluarkan untuk mengiris jendulan).

Penurunan titik leleh es akibat tekanan ini menjelaskan banyak hal lain yang kita lihat di sekitar kita. Itulah sebabnya mengapa gumpalam-gumpalan es yang terpisah membeku menjadi satu ketika ditekan bersama-sama dengan kuat.

Anak-anak yang melemparkan bola salju secara tidak sadar memanfaatkan sifat ini. Kepingan salju yang terpisah saling menempel karena tekanan yang diberikan untuk membentuk bola salju menurunkan titik lelehnya. Untuk membuat manusia salju, prinsip ini kembali diterapkan.

Di bawah tekanan banyak kaki yang berjalan di atas permukaan di sepanjang trotoar, salju berangsur-angsur berubah menjadi satu massa es yang padat.

Secara teoritis telah dihitung bahwa untuk menurunkan titik leleh es sebesar 1 derajat Celcius kita harus memberikan tekanan yang cukup besar, yaitu 130 kg/cm^2. Kita harus mengingat bahwa dalam proses pelelehan es maupun air diperlukan tekanan yang sama.

Dalam contoh yang dijelaskan di atas, hanya es yang mengalami tekanan kuat, sedangkan tekanan yang dialami air tempat es mencair adalah tekanan atmosfer. Akibatnya, efek tekanan pada titik leleh es jauh lebih besar.

Kepustakaan:
1. Perelman, Y., Physics for Entertainment, Book 1, Shkarovsky, A. (Transl.), Foreign Language Publishing House, Moscow, 1936.
2. Diary Johan Japardi
3. Berbagai sumber daring.

Jonggol, 17 Agustus 2021

Johan Japardi