Вероятно вы можете подумать, что у меня совсем потекла крыша, если я рассматриваю вполне очевидные вещи и обозначаю тему, как нечто необычное и странное. Действительно, а когда ещё льду быть скользким, если не в сильный мороз?
Но, как это часто бывает, есть тут интересные детали и типично бытовое понимание проблемы, что лёд холодный, а потому и скользкий - недопустимое в физическом смысле упрощение процесса. В реальности механизм скольжения куда более интересен.
Если отойти от понимания, что лёд скользкий просто поскольку это лёд, то базовая физика подсказывает интересную механику процесса.
Теперь вам станет ясна и логика столь странного заголовка статьи. Жидкая прослойка при сильных морозах должна была бы быстро промерзнуть и переставать скользить. Что же, справедливости ради, лёд действительно куда менее скользок в сильный мороз, чем при около нулевых температурах. Но он не теряет способность оставаться скользким в мороз полностью и это подразумевает куда более сложную механику.
Долгое время считалось, что всё дело в давлении. Движение по льду рассматривалось как упрощенное скольжение конька. А там подход только один - лезвие конька создаёт огромное давление на маленькой площади, температура плавления льда немного понижается и он под коньком частично тает. Получается тонкая водяная плёнка, которая и работает как смазка.
Также на лёд влияют и прочие тела. Именно потому фуре сложнее тронуться на льду, чем легковушке - соотношение пятна контакта и усилия взаимодействия загоняют её в ловушку, которая куда более неприятна, чем при меньших давлениях транспортного средства на поверхность.
Температура плавления льда действительно снижается при увеличении давления. Но есть проблема. Чтобы при −20 °C растопить лёд одним лишь давлением, его нужно было бы сжать до фантастических значений - намного больше тех, что создаёт конёк или подошва ботинка.
Этот механизм работает обычно около нуля градусов, но в сильный мороз он уже недостаточен. Собственно, если вы катались на лыжах в мороз, то знаете, что даже самые крутые лыжи в минус 30 наберут на себя снежные комья и те мгновенно прихватятся. Так будет даже при отсутствии влаги и происходит процесс именно благодаря растапливанию снега, который потом быстро хватаеся.
Вторая версия решения проблемы - трение. Когда вы скользите, возникает тепло. Это тепло частично плавит лёд, образуя микроскопический слой воды.
И здесь снова всё правильно… но не полностью. Эксперименты показывают, что лёд может быть скользким даже при очень малых скоростях, где нагрев почти отсутствует. А значит, есть ещё один, более фундаментальный механизм. При это м опять же уместно вспомнить про лыжи, где это механизм при сильных морозах даёт трещину.
Современная физика поверхностей говорит о том, что лёд на своей поверхности отличается от самого себя внутри.
Внутри кристалла молекулы воды образуют строгую решётку, удерживаемую водородными связями. Но на поверхности молекулы обрываются - им не хватает соседей. Их связи не полностью компенсированы.
В результате поверхность становится более подвижной, молекулы могут колебаться сильнее, возникает тончайший слой (толщиной в несколько нанометров с повышенной подвижностью).
Этот слой называют квазижидким. Это не полноценная вода, но и не полностью жёсткий лёд. Это промежуточное состояние, где молекулы уже не так жёстко зафиксированы. Именно этот слой работает как естественная смазка. Причём он существует даже при −30 °C, просто становится тоньше.
Это не подразумевает большую гладкость поверхности и полное отсутствие шероховатости, а заодно - не исключает и процессы образования жидкой подушки. Но именно этот механизм делает лёд скользким тогда, когда все предыдущие факторы перестают работать.
Лёд вообще очень интересен. Помните, я вам рассказывал про расширение льда и температурную аномалию плотности у воды? Всё дело тут в молекуле воды.
Молекула H₂O имеет полярную структуру. Благодаря этому возникают водородные связи - достаточно сильные, но всё же слабее ковалентных. Эти связи легко перестраиваются, быстро разрушаются и восстанавливаются и чувствительны к нарушению симметрии на поверхности.
У большинства других твёрдых веществ поверхность гораздо жёстче и не образует такой «смазки».
При очень низких температурах (например, ниже −40 °C) лёд действительно становится более «цепким». Квазижидкий слой сильно истончается, молекулярная подвижность уменьшается и поверхность приближается к идеальной кристаллической структуре.
В простых же случаях, работают сразу три механизма одновременно:
Вблизи 0 °C доминирует плавление. В сильный мороз - поверхностная физика. Это красивый пример того, как разные физические эффекты складываются в общую картинку.
Ну и если вам интересно совсем погрузить в проблему или... кхе-кхе - подушнить ещё сильнее, то в физике существует понятие поверхностной энергии. Любая поверхность - это состояние с повышенной энергией, потому что связи в ней нарушены.
Система стремится снизить эту энергию. Один из способов - частично «размягчить» поверхность. Для льда это означает образование подвижного слоя. Можно сказать, что лёд «сам делает себе смазку», потому что так энергетически выгоднее. Но физика знает самые разные примеры от изменения адгезионных свойств и заканчивая смещением потенциала.
Так что, друзья мои, даже такая простая проблема, как скольжение льда на самом деле становится физической головоломкой. И зря вы смеялись в начале. Любой элементарный процесс таит в себе целый мир.
Напишите в комментариях, как вы ходите по льду, когда очень скользко?
⚠️ Пишу научпоп курс про загадки материи - добро пожаловать сюда.
Не забывайте ставить лайки статье! Это важно для развития проекта.
