Почему 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.