В своей книге “Занимательная физика” Я. И. Перельман приводит объяснение скольжения коньков по льду, основанное на явлении понижения температуры плавления льда под действием давления. Согласно этой гипотезе, выдвинутой братьями Томсон в 1849 году, давление от коньков приводит к таянию тонкого слоя льда, превращая его в воду, по которой и скользят коньки. Данное объяснение получило широкое распространение в учебной литературе. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, данная гипотеза подвергается сомнениям со стороны физиков. Во-первых, легкость скольжения наблюдается и в обычной обуви, где давление на лед значительно меньше. Во-вторых, даже маленькие дети могут кататься на коньках, несмотря на незначительное давление, создаваемое ими. Таким образом, вопрос о физике скольжения коньков по льду остаётся открытым и требует дальнейшего изучения. Вот что пишет по этому поводу польский ученый и популяризатор науки Збигнев Плохоцкий в журнале «Горизонты техники для детей» (№ 10, 1988):
«Почему коньки делают из стали, а, например, не из специальной пластмассы? Ведь давно известны синтетические материалы, успешно заменяющие сталь. Они не только достаточно тверды, но им свойственна и меньшая сила трения при скольжении по льду, нежели у металла, имеющего такую же площадь контакта со льдом и тот же вес. Но представьте себе, скользить на пластмассовых коньках было бы намного труднее, потребовалось бы больше усилий от конькобежца. Почему? Вы, наверное, слышали про опыт с куском льда, который разрезает нагруженная на концах проволока: через определенное время проволока пронижет лед насквозь. Это происходит потому, что проволока, оказывая давление на лед, снижает его температуру плавления и он под проволокой начинает таять… Произойдет ли то же, если металлическую проволоку заменить нейлоновой леской? Оказывается, нет. Леска будет входить в лед настолько медленно, что он скорее растает, чем прорежется. Отсюда следует простой вывод: чтобы лед таял, недостаточно увеличить давление, нужна еще и дополнительная тепловая энергия. А где ее взять пластмассе, если она, как известно, плохой проводник тепла? Сталь же, из которой сделан конек, как хороший проводник тепла увеличивает возможность образования пленки под коньком. Поэтому на стальных коньках легче кататься, чем на пластмассовых.
Казалось бы, все ясно. Однако наши рассуждения следует продолжить. Известно, что при температуре менее −22°С лед не плавится даже под очень большим давлением. Значит, в подобных случаях смазывающий слой воды не появится. Но разве в сильный мороз скользить на коньках труднее, чем в умеренный? Каждый знает: разницы практической нет. Чем же это объяснить?
С сожалением признаюсь, что не знаю ответа на этот вопрос. Причем не только я, вам не ответит ни один физик. Ведь неоднократно бывало в истории наук, что малосущественное на первый взгляд наблюдение становилось началом фундаментального открытия… И в заключение, когда нам ясно, что же неясно, задам последний вопрос: если стальные коньки лучше пластмассовых, то почему поверхности лыж покрывают пластиком? Ведь снег — это тоже отвердевшая вода».
Вот и авторы книги о химических мифах заинтересовались вопросом о том, что же является причиной хорошего скольжения коньков по льду — скользкость самого льда или прослойка воды, образующаяся под лезвием конька. Поверхность одного лезвия действительно мала, поэтому давление на лед велико. Хорошо известно, что температура кипения зависит от давления: чем оно выше, тем при более высокой температуре кипит жидкость. Например, клапан кастрюли-скороварки срабатывает при давлении в ней 1,9 атм. При таком давлении вода кипит при 118°C. Температура плавления твердых тел также зависит от давления. Для большинства тел температура плавления увеличивается с давлением, потому что давление сближает атомы или молекулы, а при плавлении они, напротив, должны отдалиться друг от друга. Под давлением труднее разрушить кристаллическую решетку, и для этого требуется больше энергии, то есть нужна более высокая температура. Однако вода относится к немногим веществам, в твердой фазе которых атомы или молекулы не сближаются, а удаляются по сравнению с жидкостью при той же температуре (такими свойством обладают также висмут, сурьма, германий, кремний, аргон, а из сплавов — чугун). Кристаллическая структура льда довольно «рыхлая», поэтому лед легче воды и плавает на ней. Значит, температура плавления льда с повышением давления должна не повышаться, а понижаться, и лед под давлением может расплавиться и на морозе! Это отражено на фазовой диаграмме воды: при повышении давления от 1 до 2100 атм (209,9 МПа) температура плавления льда плавно понижается до −22°С. Видно, что влияние давления на температуру плавления много меньше аналогичного эффекта для кипения.
Однако против таяния льда под давлением коньков и их фактического «скольжения по воде» говорят такие факты.
Водители хорошо знают, что асфальт, покрытый корочкой льда, намного более скользкий, чем мокрое покрытие дороги.
Ребенок может кататься на коньках с не меньшим успехом, чем взрослый человек, даже если ребенок маленький, весит мало и оказывает на лед намного меньшее давление, чем взрослый человек на коньках.
С понижением температуры воздуха требуется все большее давление, чтобы растопить лед, поэтому в холодную погоду коньки должны были бы скользить по льду хуже. А скользить на одном коньке было бы лучше, чем на двух, потому что на лезвие одного конька давление вдвое больше. Тем не менее неверно и то, и другое.
Если даже очень грузный человек в не очень холодную погоду будет стоять на льду неподвижно, под коньками не образуется лужица воды.
Плавление льда — процесс далеко не мгновенный, однако даже при очень быстром беге коньки скользят не хуже, чем при медленном катании.
Оценить возможность плавления льда под коньками позволяет более подробная часть фазовой диаграммы в интересующей нас области давлений и температур. Например, при температуре −5°С вода будет жидкой, если повысить давление до нескольких сотен атмосфер. Из фазовой диаграммы видно также, что в реальных условиях мы имеем дело только с «обычным льдом», получившим название лед-I.
Нетрудно также оценить давление, которое создает человек на лезвие конька. Если его длина, положим, 20 см, а ширина 2 мм, то площадь под одним коньком равна 4 см2. Массу человека примем равной 80 кг, тогда сила давления на конек будет равна 20 атм. При таком давлении температура плавления льда снижается всего на несколько десятых градуса.
Против этого довода еще в XIX веке было выдвинуто такое возражение: и лезвия коньков, и поверхность льда не идеально плоские. Поэтому поверхность истинного контакта «конек — лед» может быть намного меньше, а давление, следовательно, намного больше. Однако, как хорошо известно, чем выше давление, тем больше и сила трения. Кроме того, из фазовой диаграммы следует, что при температурах ниже −22,1°С ни при каком давлении вода не может быть жидкой. И если бы оказалась верной теория «таяния льда» под давлением, было бы невозможно кататься на коньках ниже этой температуры. Но, как показывает практика, лед остается скользким для конькобежцев и при температуре −30°С. И только при −60°С, как показали лабораторные эксперименты, скользкость льда сильно снижается.
Был выдвинут еще один довод в пользу таяния льда: энергия движения конькобежца передается с помощью трения на поверхность льда, и эта энергия идет на его поверхностное плавление. Трение действительно сопровождается выделением теплоты — но только при движении. Однако лед остается очень скользким и для человека, стоящего на месте, что хорошо знают все, впервые вышедшие на лед (причем не обязательно на коньках!).
Разгадка скользкости льда кроется на самом деле в структуре самой его поверхности, где молекулы воды значительно подвижнее, потому что слабее связаны с окружающими молекулами. Под движущимся коньком эти молекулы легко перемещаются, что и снижает трение. Другой механизм скольжения, вероятно, имеет место на синтетическом льду из блоков пластика, чаще всего из высокомолекулярного полиэтилена.
Встречаются ли в окружающей нас действительности такие давления, при которых происходит заметное понижение температуры плавления льда? Да, когда огромный ледник сползает по склону годы. Если на его пути встречается небольшая скала, то ледник или срезает ее, или «обтекает». В последнем случае большое давление льда на камень поднимает температуру плавления льда, который слегка подтаивает в месте контакта. Ниже скалы давление падает, и лед снова становится твердым.
Найдено объяснение резкого снижения скользкости льда при приближении его температуры к температуре плавления
Физики установили, что на скользкость льда влияет не только тонкий слой жидкости, возникающий на поверхности, но и ряд других факторов: твердость льда, форма скользящего предмета и сила, с которой он давит на поверхность. Им удалось объяснить, почему при температурах, близких к температуре плавления, лед резко становится значительно менее скользким. Статья опубликована в журнале Physical Review X. При отрицательных температурах вода замерзает и превращается в лед, по которому можно скользить. Это физическое явление кажется очень простым, но на самом деле физики еще с середины 19 века пытаются описать все факторы, влияющие на скользкость льда. Скольжение предметов по льду объясняют появлением тонкого слоя воды под ними. Долгое время считалось, что давление на лед приводит к понижению его температуры плавления, и он начинает таять даже при отрицательных температурах. Но чтобы заставить лед таять хотя бы при минус пяти градусах, нужно приложить давление в 610 атмосфер. Это примерно эквивалентно тысяче слонов, поместившихся на катке площадью один квадратный метр. Поэтому позже физики стали связывать появление слоя воды не с давлением, а с нагреванием из-за трения предметов о лед.
Зависимость коэффициента трения от температуры для разных предметов, скользящих по льду. Скорость скольжения постоянна и равна 0,38 миллиметра в секунду. Синим отмечены данные для малой сферы, красным — для большой сферы, черным — для лезвия конька. Rinse W. Liefferink et al. / Physical Review X
Это объяснение подтвердили в 2019 году французские ученые. Они выяснили, что слой жидкости на льду действительно присутствует, его толщина составляет всего несколько сотен нанометров, и это не просто вода, а вязкая смесь воды с дробленым льдом.
Есть две температурных области, в которых лед ведет себя необычно и резко становится намного менее скользким: при охлаждении до −80 градусов Цельсия и при нагревании до температуры, близкой к температуре плавления. При этом при температуре от −10 до −5 градусов Цельсия он наоборот становится очень скользким. Ранее немецкие и голландские физики объяснили уменьшение скользкости льда тем, что при охлаждении снижается подвижность молекул воды в поверхностном слое. Это и приводит к возрастанию коэффициента трения.
Физики из Амстердамского университета под руководством Ринса Лиферинка (Rinse Liefferink) продолжили исследование своих коллег и изучили резкое уменьшение скользкости льда около нуля градусов. Это явление уже нельзя объяснить возникновением слоя жидкости: ученые пытались связать возрастание коэффициента трения с увеличением толщины этого слоя, но их теория не подтвердилась экспериментально.
Ученые провели серию экспериментов по скольжению с предметами разной формы: большими и маленькими сферами, лезвием, напоминающим лезвие конька. Температуру льда меняли в диапазоне от −120 до −1,5 градусов Цельсия. Чтобы сохранить лед гладким, ученые добавляли на него новый слой воды после каждого эксперимента.
Помимо коэффициента трения, физики измерили твердость льда. При приближении к температуре плавления твердость резко снизилась.
Зависимость твердости льда как функция температуры. Эксперименты проведены со сферой, движущейся со скоростью 3,8 микрометра в секунду. Rinse W. Liefferink et al. / Physical Review X
По более мягкому льду предметы уже не просто скользили, а «врезались» в него, как плуг в пашню. Для сфер этот эффект проявился при −20 градусах, а для конька — при −8. Это показало, что на скользкость льда при высоких температурах влияет уже не поведение молекул жидкости в поверхностном слое, а целый ряд других факторов: твердость льда, форма скользящего предмета и сила, с которой он давит на поверхность.
В процессе «вспахивания» образуются мелкие осколки льда, которые тоже влияют на движение предмета. Особенно это заметно при движении туда-обратно на небольшом участке: для металлической сферы, которую катали по одной и той же площадке льда, коэффициент трения так и не стал постоянным со временем.
Другой интересный результат новых наблюдений — лед оставался скользким даже при скорости предмета один микрометр в секунду, хотя нагрев от трения при таком медленном движении становится почти незаметным. Кроме того, скорость не менялась при использовании материалов с разной теплопроводностью. Это демонстрирует, что коэффициент трения определяется не столько количеством теплоты и, соответственно, плавлением льда, сколько формой предмета и другими условиями.
Автор: Екатерина Назарова
Источник: https://nplus1.ru/
