Почему лед скользкий: физики опровергли популярную теорию
Зависит ли это от температуры воздуха или осадков.С наступлением зимы многие любители активного отдыха устремляются на катки. Но что делает лед таким скользким? Ответ на этот, казалось бы, детский вопрос оказался гораздо сложнее, чем предполагали ученые на протяжении почти двух столетий.
Классическое объяснение
Фото: pysto_photography/Shutterstock/FOTODOMРаньше считали, что лед становится скользким из-за давления
Долгое время господствовала теория, согласно которой лед плавится под давлением. Это объяснение, восходящее к XIX веку, кажется логичным: вода в твердой фазе менее плотная, чем в жидкой. Когда конькобежец давит лезвием на лед, температура плавления льда локально понижается, лед под давлением превращается в воду, и спортсмен скользит. После того как он проехал, вода снова замерзает.
Однако у этой гипотезы есть слабые места. Во-первых, в очень холодную погоду, когда те доли градуса, на которые понижается температура плавления, уже не играют роли, коньки скользить не перестают. Во-вторых, если бы все дело было в давлении, то в обычной обуви, площадь подошвы которой велика, мы бы не скользили — в отличие от коньков. Тогда возникла альтернатива: возможно, лед плавится от трения, которое его нагревает. Но почему же тогда скользко, когда мы просто стоим на льду без движения?
В 1850 году английский физик Майкл Фарадей провел эксперимент: прислонил два кубика льда друг к другу, и они смерзлись. Ученый сделал вывод, что поверхность льда остается твердой, пока не соприкасается с воздухом. На открытом воздухе на ней образуется тот самый тонкий слой воды.
Современные исследователи развили эту идею, предположив, что у поверхностных молекул льда рвутся водородные связи. Это дает им больше энергии и подвижности, позволяя поддерживать жидкий слой даже при температурах ниже 0°C. В 2018 году нидерландские ученые, изучая скольжение стального шарика по льду, подтвердили, что сверхнизкое трение наблюдается в ограниченном температурном диапазоне. При экстремально низких температурах (около -100°C) диффузия молекул замедляется, и лед перестает быть скользким.
Новая теория
Фото: DmitryStock/Shutterstock/FOTODOMКлючевую роль, по мнению ученых, играют молекулярные диполи — особенность строения молекул воды, из-за которой у них есть области с частичными положительными и отрицательными зарядами
Казалось бы, картина ясна. Но в 2023 году команда ученых из Саарландского университета (Германия) в статье для Physical Review Letters совершила прорыв, опровергнув вековые догмы [1].
Ключевую роль, по мнению ученых, играют молекулярные диполи — особенность строения молекул воды, из-за которой у них есть области с частичными положительными и отрицательными зарядами. Когда подошва обуви (или коньки) соприкасается со льдом, диполи материала вступают во взаимодействие с диполями молекул воды в кристаллической решетке. Это взаимодействие разрушает упорядоченную структуру верхнего слоя льда, превращая его в беспорядочную жидкую пленку толщиной в нанометры. Именно она и служит универсальной смазкой.
Это открытие опровергает и другое устоявшееся мнение — о том, что кататься на коньках при температуре ниже –40°C невозможно из-за полного отсутствия жидкой смазки. Оказалось, что дипольные взаимодействия сохраняются даже при таких экстремально низких температурах. Жидкая пленка все еще формируется на границе льда и коньков, хотя ее консистенция становится вязкой, как мед.
Так что в следующий раз, поскользнувшись на зимнем тротуаре, вы будете знать, что стали невольным участником сложного молекулярного взаимодействия, где ваша подошва на мгновение нарушила идеальный порядок ледяного кристалла, запустив тот самый «танец диполей». А он сделал лед по-настоящему скользким.
