Новое объяснение скользкости льда возобновило многовековые дебаты. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Твердые вещества обычно не имеют таких гладких поверхностей.
Введение
Причина, по которой мы можем грациозно скользить по ледовому катку или неуклюже поскользнуться на обледенелом тротуаре, заключается в том, что поверхность льда покрыта тонким слоем воды. Ученые в целом согласны с тем, что именно этот смазывающий, похожий на жидкость слой делает лед скользким. Однако они расходятся во мнениях относительно причин образования этого слоя.
За последние два столетия обсуждались три основные теории, объясняющие это явление. В начале этого года исследователи из Германии выдвинули четвертую гипотезу, которая, по их словам, разгадывает эту загадку.
Но так ли это? Кажется, консенсус близок, но еще не достигнут. Пока что эта скользкая проблема остается открытой.
Гипотеза 1: Давление
В середине 1800-х годов английский инженер Джеймс Томсон предположил, что когда мы наступаем на лед, оказываемое нами давление растапливает его поверхность, делая ее скользкой. В нормальных условиях лед тает, когда температура поднимается до нуля градусов Цельсия (32 градусов Фаренгейта). Но давление понижает его температуру плавления, поэтому даже при более низких температурах на поверхности может образоваться слой воды. Эта теоретическая зависимость между температурой плавления и давлением была экспериментально подтверждена младшим братом Томсона, Уильямом, более известным как лорд Кельвин.
Однако в 1930-х годах Фрэнк П. Боуден и Т. П. Хьюз из Лаборатории физической химии Кембриджского университета поставили под сомнение теорию плавления льда под давлением. Они подсчитали, что средний лыжник оказывает слишком малое давление, чтобы существенно изменить температуру плавления льда. Для этого лыжник должен весить тысячи килограммов.
Гипотеза 2: Трение
Боуден и Хьюз предложили альтернативное объяснение образования слоя воды: он тает из-за тепла, выделяемого в результате трения, вызванного движением скользящих по нему предметов.
Они проверили свою теорию в искусственной ледяной пещере в Швейцарских Альпах, используя сложное устройство для измерения трения между льдом и другими материалами. Они обнаружили, что трение было выше с материалами, хорошо проводящими тепло, такими как латунь, чем с плохо проводящими, такими как эбонит. Из этого они сделали вывод, что когда лед трется о материал, легко поглощающий тепло, для его таяния остается меньше тепла, что делает его менее скользким. Это подтвердило их теорию о том, что скользкость льда обусловлена трением.
Хотя это объяснение до сих пор встречается в учебниках, многие ученые с ним не согласны. «Проблема в том, что растапливается только лед позади вас, а не тот лед, по которому вы катаетесь», — говорит Даниэль Бонн, физик из Амстердамского университета. Лед может стать скользким в тот момент, когда мы на него наступаем, еще до того, как произойдет какое-либо движение, которое могло бы вызвать нагрев за счет трения.
Группа Даниэля Бонна из Амстердамского университета создала микроскопический ледовый каток для исследования вопроса скользкости льда.
Чтобы проверить гипотезу о трении, Бонн и его команда создали микроскопический ледовый каток. Они вращали кусок металла (заменяющий лезвие конька) с разной скоростью, каждый раз измеряя силу, необходимую для перемещения металла, и силу, которую металл оказывал на лед. Соотношение этих сил позволило им измерить скользкость льда. Ученые обнаружили, что скользкость не зависит от скорости, что говорит о том, что фрикционный нагрев — который должен увеличиваться со скоростью — не является причиной скользкости льда.
Гипотеза 3: Предплавление
Есть и другая возможность: поверхность льда становится влажной еще до того, как что-либо соприкоснется с ней.
В 1842 году английский учёный Майкл Фарадей заметил, что два соприкасающихся кубика льда замерзают друг с другом, и даже тёплая рука прилипает ко льду. Он объяснил это явление тонким, предварительно растаявшим слоем, который находится на открытой поверхности льда и снова замерзает, когда его накрывают. Фарадей не мог объяснить, почему это происходит, и потребовалось почти столетие, чтобы другие учёные — в частности, Чарльз Герни и Вольдемар Вейль — предложили объяснение тому, почему может происходить «предварительное таяние поверхности».
Они интуитивно поняли, что молекулы у поверхности ведут себя иначе, чем молекулы, находящиеся глубоко во льду. Лед — это кристалл, а это значит, что каждая молекула воды заключена в периодическую решетку. Однако на поверхности молекулы воды имеют меньше соседей, с которыми можно связаться, и, следовательно, обладают большей свободой движения, чем в твердом льду. В этом так называемом предрасплавленном слое молекулы легко смещаются коньком, лыжей или ботинком.
Сегодня учёные в целом согласны с тем, что предрасплавленный слой существует, по крайней мере, вблизи точки плавления, но они расходятся во мнениях относительно его роли в скользкости льда.
Классическое объяснение скользкости льда возникло в результате экспериментов 1930-х годов в ледяном дворце Юнгфрауйох, искусственной ледяной пещере в Швейцарских Альпах. Сегодня многие ученые не согласны с этим объяснением.
Несколько лет назад Луис Макдауэлл, физик из Мадридского университета Комплутенсе, и его коллеги провели серию симуляций, чтобы установить, какая из трех гипотез — давление, трение или предплавление — лучше всего объясняет скользкость льда. «В компьютерных симуляциях можно увидеть движение атомов», — сказал он, — что невозможно в реальных экспериментах. «И можно фактически посмотреть на соседей этих атомов», чтобы определить, расположены ли они периодически, как в твердом теле, или неупорядоченно, как в жидкости.
Они обнаружили, что смоделированный ими блок льда действительно был покрыт жидкоподобным слоем толщиной всего в несколько молекул, как и предсказывает теория предварительного плавления. Когда они смоделировали скольжение тяжелого объекта по поверхности льда, слой утолщался, что согласуется с теорией давления. Наконец, они исследовали фрикционный нагрев. Вблизи точки плавления льда предварительно расплавленный слой уже был толстым, поэтому фрикционный нагрев не оказывал на него существенного влияния. Однако при более низких температурах скользящий объект выделял тепло, которое растапливало лед и утолщало слой.
«Наш посыл таков: все три спорные гипотезы действуют одновременно в той или иной степени», — сказал Макдауэлл.
Гипотеза 4: Аморфизация
Или, возможно, таяние поверхности не является основной причиной скользкости льда.
Недавно группа исследователей из Саарландского университета в Германии выявила аргументы против всех трех преобладающих теорий. Во-первых, для того чтобы давление было достаточно высоким для таяния поверхности льда, площадь контакта между (например) лыжами и льдом должна быть «неоправданно мала», написали они. Во-вторых, эксперименты показывают, что для лыжи, движущейся с реальной скоростью, количество тепла, выделяемого за счет трения, недостаточно для таяния. В-третьих, они обнаружили, что при экстремально низких температурах лед остается скользким, даже несмотря на отсутствие предварительно растопленного слоя. (У молекул на поверхности все еще мало соседей, но при низких температурах у них недостаточно энергии, чтобы преодолеть прочные связи с молекулами твердого льда.) «Таким образом, либо скользкость льда обусловлена сочетанием всех этих факторов или нескольких из них, либо есть что-то еще, чего мы пока не знаем», — сказал Ашраф Атила, специалист по материаловедению из этой группы.
Ученые-материаловеды из Саарландского университета в Германии с помощью компьютерного моделирования показали, что при скольжении двух блоков льда друг относительно друга аморфный слой посередине постепенно утолщается.
Ученые искали альтернативные объяснения в исследованиях других веществ, таких как алмазы. Огранщики драгоценных камней давно знают по опыту, что некоторые стороны алмаза полируются легче, или «мягче», чем другие. В 2011 году другая немецкая исследовательская группа опубликовала статью, объясняющую это явление. Они создали компьютерные симуляции скольжения двух алмазов друг относительно друга. Атомы на поверхности механически вырывались из своих связей, что позволяло им двигаться, образовывать новые связи и так далее. Это скольжение формировало бесструктурный, «аморфный» слой. В отличие от кристаллической природы алмаза, этот слой является неупорядоченным и ведет себя скорее как жидкость, чем как твердое тело. Этот эффект аморфизации зависит от ориентации молекул на поверхности, поэтому некоторые стороны кристалла мягче, чем другие.
Атила и его коллеги утверждают, что аналогичный механизм происходит и во льду. Они смоделировали скольжение ледяных поверхностей друг относительно друга, поддерживая температуру моделируемой системы достаточно низкой, чтобы исключить таяние. (Любая скользкость, следовательно, имела бы другое объяснение.) Первоначально поверхности притягивались друг к другу, подобно магнитам. Это происходило потому, что молекулы воды являются диполями с неравномерной концентрацией положительного и отрицательного заряда. Положительный конец одной молекулы притягивает отрицательный конец другой. Притяжение во льду создавало крошечные сварные швы между скользящими поверхностями. По мере скольжения поверхностей друг относительно друга эти швы разрывались, и образовывались новые, постепенно изменяя структуру льда.
Ученые повторили моделирование, заменив одну из поверхностей льда другими материалами, которые либо притягиваются, либо отталкиваются водой. И снова молекулы на поверхности льда смещались за счет скольжения, но сильнее, когда другое вещество притягивало лед.
В другом моделировании, проведенном немецкой командой, более реалистичная шероховатая поверхность скользит по льду, смещая молекулы на поверхности.
Результаты моделирования показали, что скольжение механически разрушает упорядоченную кристаллическую решетку льда, создавая аморфный слой, который утолщается по мере продолжения скольжения. Команда исследователей утверждает, что именно это, а не таяние, объясняет скользкость льда, особенно при низких температурах.
Консенсус, замороженный в тайне
Макдауэлл доверяет результатам Атилы и его коллег, хотя и считает, что аморфизация происходит только при высоких скоростях скольжения (авторы с этим не согласны, но моделирование низких скоростей скольжения требует непомерно больших вычислительных мощностей).
Бонн также поддерживает новое объяснение, которое, по его словам, согласуется с экспериментальными исследованиями скольжения объектов по льду, проведенными его группой в 2021 году. И эти эксперименты, и новые модели предполагают, что лед скользит из-за структурных изменений на его поверхности, хотя исследователи описывают происходящее по-разному. Атила считает, что изменения вызваны механическим перемещением молекул воды, в то время как Бонн фокусируется на том, насколько подвижны молекулы на поверхности изначально. Он сравнивает поверхность с полом, заполненным маленькими шариками: «Поскольку они такие подвижные, невозможно удержаться на ногах, находясь в такой комнате. Точно так же, как очень трудно удержаться на ногах, когда вы находитесь на льду».
По словам Бонна, разница в их описаниях «является семантическим вопросом», но соавтор Атилы Сергей Сухомлинов с этим не согласен. «Я считаю, что это разные механизмы, хотя они могут выглядеть похожими», — сказал он.
Мы, безусловно, приближаемся к решению, казалось бы, простого, многовекового вопроса о том, почему лед скользкий. На данном этапе отсутствие единого словаря среди исследователей может быть одним из самых больших препятствий на пути к решению этой проблемы. Схожие эффекты могут получать разные названия, что предполагает разные гипотезы. Бонн также винит в этом тот факт, что «у исследователей льда действительно есть разные и противоречивые мнения, но они на самом деле не говорят друг другу о своих разногласиях».
Источник: www.quantamagazine.org
