Почему лед такой скользкий?

Почему лед скользкий

Почему лед такой скользкий?
sh: 1: –format=html: not found

Крайне очевидно, но тем не менее интересно: практически все зимние виды спорта держатся на одном факте – лед скользкий.

Низкое трение льда – это то, почему конькобежцы могут развивать скорость до 55 километров в час, почему фигуристы могут выполнять головокружительные пируэты, и почему 20-килограмовый камень для керлинга может скользить.

Но на протяжении большей части последних двух столетий ученые пытались объяснить то, почему лед скользкий и почему коньки могут так хорошо скользить по нему.

Но есть одно очевидное «но»: кататься на коньках на удивление сложно. Практически невозможно увидеть невооруженным глазом, что происходит, когда лезвие прорезает лед, потому что оно закрывает обзор. А слои льда, по которым скользят коньки, микроскопически тонкие.

Поэтому ученые должны полагаться на свои знания физики и химии для объяснения этого явления. Они предположили несколько объяснений, каждое из которых рассказывает о захватывающем свойстве льда.

Прежде всего самый очевидный вопрос: что такое лед?

Лед – это замерзшая вода. Но то, что происходит, когда вода становится твердой, делает это вещество необычным и крайне увлекательным для изучения.

Для большинства веществ во вселенной твердая фаза плотнее, чем жидкая. Когда материал достаточно охлаждается для образования твердых частиц, его молекулы связываются в узкие связки.

Но со льдом происходит немного другое.

Когда температура опускается ниже 0° С, водородные связи, которые связывают молекулы воды вместе, расширяют дополнительное пространство между молекулами воды, когда они замерзают.

И, как оказалось, благодаря этим знаниям, можно создать идеальный лед для того или иного вида спорта.

Как объясняет Smithsonian Magazine, лед, используемый на катках для олимпийских видов спорта, представляет собой очищенную воду, распыляемую на катках по одному слою за раз, чтобы создать поверхности безупречной структуры.

Толщина и температура льда на Олимпиаде зависит от вида спорта. Фигуристы предпочитают лед, установленный близко к точке плавления при -3 °С для дополнительного сцепления и контроля.

Хоккеистам нравится более холодный, жесткий, что делает поверхность более скользкой.

Твердый лед, как не удивительно, менее плотный, чем жидкая вода (именно поэтому айсберги плавают в океане). И для ученых это было ключом к выяснению, почему лед такой скользкий.

Гипотеза 1: давление заставляет лед таять

С 19-го века наиболее распространенным ответом на вопрос «почему лед скользкий» было «потому что лед тает под давлением».

Эта идея взята из работы Джеймса Томпсона, который в 1850-х годах разработал формулу, которая описывает очень странное свойство льда: то есть под высоким давлением лед превращается в воду. Это связано с тем фактом, что твердый лед менее плотный, чем вода. Если вы сжимаете лед, он становится менее устойчивым и тает.

Можно увидеть этот эффект с помощью очень простого эксперимента. Например, взять отрезок проволоки и привязать груз к каждому концу. Затем проложить провод через большой кусок льда. Давление проволоки прорежет чистую линию через лед (которая снова замерзнет, как только проволока пройдет сквозь. Это процесс, называемый «регенерация»).

Заманчиво думать, что именно так работают коньки – что давление, оказываемое тонким лезвием на лед, позволяет ему немного подтаивать, чтобы уменьшить трение и сделать скольжение лучше.

Как объяснил Кеннет Чанг из New York Times, человек весом в 68 кг, стоящий на лезвиях, может понизить температуру плавления льда только с 0 °С до -0,1 ° С, в то время как катки для фигурного катания обычно держатся около -3 °С. Проще говоря: фигуристы не могут оказать достаточного давления, чтобы растопить лед.

«Так что, хотя основная идея верна – вы можете растопить лед, создавая давление на него – цифры вообще не работают» – говорит Лиммер.

Таким образом, давление лезвия на лед не может объяснить, почему коньки скользят. Но как насчет трения? Разве скользящее движение коньков на поверхности не может генерировать достаточно тепла, чтобы растопить лед?

Это определенно часть ответа, но это не объясняет, почему лед так необычно скользит.

Гипотеза 2: трение растапливает лед

Что насчет трения? Разве скользящее движение коньков на поверхности не может генерировать достаточно тепла, чтобы растопить лед?

Лиммер объясняет, что трение «является эффектом второго порядка» в проблеме катания на коньках. Трение помогает нам понять, почему коньки могут скользить быстрее и быстрее при движении, но не то, почему они могут это с самого начала.

Гипотеза 3: поверх льда лежит очень маленький слой жидкой воды

За несколько лет до того, как Джеймс Томпсон объяснил, почему давление растапливает лед, физик Майкл Фарадей обнаружил еще одно удивительное свойство льда: тонкий жидкий слой на его поверхности.

Фарадей догадался, что кубики льда слипаются из-за окружающего их слоя жидкости. Когда эти слои жидкости встречаются, затем замерзают вместе.

Этот очень тонкий слой жидкости также делает лед более гладким. Но Фарадей не мог доказать свою гипотезу в то время. Наука об атомах и молекулах еще не была доступна, чтобы помочь ему в объяснении.

В 1987 году ученые подтвердили существование этого «квази жидкостного» слоя с помощью рентгенографии. И это очень, очень тонкий слой. Оценки показывают, что его толщина при -1 ° C составляет от 1 нанометра до 94 нанометров. Это примерно в 1000 раз меньше, чем бактерия.

Но, что интересно, по оценкам профессора Ван Леувена, было бы очень сложно кататься при температуре ниже -30 °C.

Даже если на льду все еще будет крошечный слой жидкости, потребуется слишком много трения, чтобы произвести достаточно тепла, чтобы растопить что-либо еще.

Кроме того, ниже этой температуры становится все труднее обнаружить крошечный слой жидкости на поверхности льда. Это было бы похоже на катание на гравии.

Почему же, почему?.

Почему лед такой скользкий?

Фёдор Иванович Тютчев, написав «Люблю грозу в начале мая,//Когда весенний первый гром…», очевидно, тоже знал, что зимой гроз не бывает.

Но почему, в самом деле, их не бывает зимой? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала разберёмся в том, откуда в облаке появляются электрические заряды.

До конца механизмы разделения зарядов в облаке ещё не выяснены, однако, согласно современным представлениям, грозовое облако – это фабрика по производству электрических зарядов.

Грозовое облако содержит огромное количество пара, часть которого конденсировалась в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6–7 км, а низ нависать над землёй на высоте 0,5–1 км. Выше 3–4 км облака состоят из льдинок разного размера, т.к. температура там всегда ниже нуля.

Льдинки в облаке постоянно движутся из-за восходящих потоков тёплого воздуха от нагретой поверхности земли. При этом мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха.

«Шустрые» мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, всё время сталкиваются с крупными.

При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие – положительно.

Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные – внизу. Другими словами, верхушка грозового облака заряжается положительно, а его низ – отрицательно.

Таким образом, кинетическая энергия восходящих потоков воздуха преобразуется в электрическую энергию разделённых зарядов.

Всё готово для разряда молнии: происходит пробой воздуха, и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на землю.

Итак, чтобы образовалось грозовое облако, необходимы восходящие потоки тёплого и влажного воздуха. Известно, что концентрация насыщенных паров растёт с повышением температуры и максимальна летом.

Разница температур, от которой зависят восходящие потоки воздуха, тем больше, чем выше его температура у поверхности земли, т.к. на высоте нескольких километров температура не зависит от времени года. Значит, интенсивность восходящих потоков максимальна тоже летом.

Поэтому и грозы у нас чаще всего летом, а на севере, где и летом холодно, грозы довольно редки.

? Почему лёд скользкий?

Узнать, почему по льду можно скользить, учёные пытаются в течение последних 150 лет. В 1849 г. братья Джеймс и Уильям Томсон (лорд Кельвин) выдвинули гипотезу, согласно которой лёд под нами плавится оттого, что мы на него давим. И поэтому мы скользим уже не по льду, а по образовавшейся плёнке воды на его поверхности.

Действительно, если увеличить давление, то температура плавления льда понизится. Однако, как показали эксперименты, чтобы понизить температуру плавления льда на один градус, необходимо давление увеличить до 121 атм (12,2 МПа). Попробуем посчитать, какое давление оказывает спортсмен на лёд, когда скользит по нему на одном коньке длиной 20 см и толщиной 3 мм.

Если считать, что масса спортсмена 75 кг, то его давление на лед составит около 12 атм. Таким образом, стоя на коньках, мы едва ли можем понизить температуру плавления льда больше, чем на десятую градуса по шкале Цельсия.

Значит, объяснить скольжение по льду в коньках и тем более в обычной обуви, опираясь на предположение братьев Томсонов, невозможно, если температура за окном, например, –10 °С.

В 1939 г., когда стало ясно, что понижением температуры плавления скользкость льда не объяснить, Ф.Бауден и Т.Хьюз предположили, что тепло, необходимое для плавления льда под коньком, даёт сила трения. Однако эта теория не могла объяснить, почему так тяжело бывает даже стоять на льду, не двигаясь.

С начала 1950-х гг. учёные стали считать, что лёд скользкий всё-таки из-за тонкой плёнки воды, образующейся на его поверхности в силу каких-то неизвестных причин. Это вытекало из опытов, в которых изучали силу, необходимую для того, чтобы рассоединить касающиеся друг друга ледяные шарики.

Оказалось, что, чем ниже температура, тем меньше сила нужна для этого. Значит, на поверхности шариков есть плёнка жидкости, толщина которой увеличивается с температурой, когда она ещё гораздо ниже температуры плавления. Кстати, так полагал и Майкл Фарадей ещё в 1859 г.

, не имея на то никаких оснований.

Только в конце 1990-х гг. изучение рассеяния на образцах льда протонов, рентгеновских лучей, а также исследования с помощью атомно-силового микроскопа показали, что его поверхность не является упорядоченной кристаллической структурой, а скорее похожа на жидкость. К такому же результату пришли и те, кто изучал поверхность льда с помощью ядерного магнитного резонанса.

Оказалось, что молекулы воды в поверхностных слоях льда способны вращаться с частотами, в 100 тысяч раз большими, чем те же молекулы, но в глубине кристалла. Значит, на поверхности молекулы воды уже не находятся в кристаллической решётке, – силы, заставляющие молекулы находиться в узлах гексагональной решетки, действуют на них только снизу.

Поэтому поверхностным молекулам ничего не стоит «уклониться от советов» молекул, находящихся в решётке, и к такому же решению приходят сразу несколько поверхностных слоёв молекул воды. В результате на поверхности льда образуется плёнка жидкости, служащая хорошей смазкой при скольжении.

Кстати, тонкие плёнки жидкости образуются на поверхности не только льда, но и некоторых других кристаллов, например, свинца.

Схематическое изображение кристалла льда в глубине (внизу) и на поверхности

Толщина жидкой плёнки растёт с ростом температуры, т.к. больше молекул вырывается из гексагональных решёток. По некоторым данным, толщина водной плёнки на поверхности льда, равная около 10 нм при –35 °С, увеличивается до 100 нм при –5 °С.

Наличие примесей (молекул, отличных от воды) тоже мешает поверхностным слоям образовывать кристаллические решётки. Поэтому увеличить толщину жидкой плёнки можно, растворив в ней какие либо примеси, например, обычную соль. Этим и пользуются коммунальные службы, когда борются зимой с обледенением дорог и тротуаров.

К.Ю.БОГДАНОВ

http://www.aimatrix.nm.ru/KBogdanov/

(см. авторский блог на сайте www.inauka.ru)

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.