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
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)






Вам также может понравиться...