Скользкость льда объяснили диффузией молекул в поверхностном слое
Физики детально изучили скольжение стального шарика по поверхности льда и показали, что к повышенной скользкости приводит образование подвижных молекул в поверхностном слое льда вследствие разрыва водородных связей. При этом такое поведение характерно для льда только при относительно небольших отрицательных температурах, а при дальнейшем охлаждении диффузия молекул замедляется и лед переходит в нормальное нескользкое состояние, пишут ученые в статье в Journal of Physical Chemistry Letters.
В конце XIX века аномальную скользкость льда при небольших отрицательных температурах предложили объяснять тем, что при повышенном контактном давлении из-за разницы в плотности между жидкой и твердой фазой происходит частичное плавление. Это приводит к появлению между двумя твердыми поверхностям жидкой прослойки, которая при скольжении играет роль смазки. Однако сейчас этот механизм считается не совсем точным, и появление очень тонкого водного слоя связывают не с контактным давлением, а нагревом при трении. Тем не менее, роль плавления в механизме снижения трения до сих пор вызывает вопросы, и на молекулярном уровне этот процесс исследован не до конца.
Чтобы прояснить молекулярный механизм снижения трения на поверхности льда, физики из Нидерландов, Германии и Франции под руководством Даниэля Бонна (Daniel Bonn) из Амстердамского университета провели экспериментальное исследование коэффициента трения при скольжении стального шарика по ледяной поверхности и объяснили полученные результаты с помощью спектроскопических измерений и компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Как эксперимент, так и моделирование изучали довольно широкий диапазон температур — от 0 до -100 градусов Цельсия.
Оказалось, что в температурной зависимости коэффициента трения есть две характерных области, которые определяются различными физическими эффектами. При относительно высоких температурах (примерно от 0 до −10 градусов Цельсия) сила трения определяется пластической деформацией льда при его продавливании. Поскольку нормальная сила, необходимая для вдавливания шарика в лед, увеличивается при охлаждении, то этот эффект заметен только очень близко к температуре плавления, но приводит к резкому падению коэффициента трения уже к -5 градусам Цельсия. В диапазоне от -5 до -10 градусов коэффициент трения аномально низок (его минимальное значение в этом интервале составляет примерно 0,01), а при дальнейшем понижении температуры он вновь начинает расти, постепенно увеличиваясь примерно до 0,5 при -100 градусах (это значение не выходит за пределы характерных значений для других твердых тел). При этом его температурная зависимость на этом интервале имеет выраженный аррениусовский вид и определяется энергией активации около 11,5 килоджоуля на моль.
По характерному виду температурной зависимости, а также спектроскопическим данным и результатам моделирования авторы работы предположили, что при температурах ниже -5 градусов Цельсия сила трения определяется диффузией молекул воды в поверхностном слое. При относительно высоких температурах тепловая энергия помогает разорвать слабые водородные связи, которые связывают поверхностные молекулы с объемом кристалла, и привести эти молекулы в движение. При охлаждении доля подвижных молекул в поверхностном слое уменьшается, коэффициент диффузии начинает падать, а коэффициент трения — наоборот, расти.
По словам физиков, предложенный ими механизм скольжения определяется диффузией подвижных молекул воды в наружном слое, но не подразумевает при этом как такового плавления льда. Это подтверждают и экспериментальные данные: измеренная температурная зависимость коэффициента трения непрерывна и приводит к переходу в нормально «нескользкое» состояние, но никаких фазовых переходов при этом в системе не происходит.
Авторы работы отмечают, что наличие двух механизмов, определяющих силу трения в различных температурах, приводит к тому, что низкое трение для льда характерно лишь в довольно узком интервале, когда оба эффекта, повышающие трение, слабые — около -7 градусов Цельсия. Именно такие температуры используется, например, в зимних видах спорта: конькобежном спорте, фигурном катании, хоккее или керлинге.
Из-за того, что лед обладает аномально низким коэффициентом трения, очень сложно сделать обувь, в которой можно безопасно ходить по обледенелым дорогам. Например, канадские исследователи обнаружили, что подавляющее большинство зимней обуви не подходит для безопасного передвижения в условиях гололеда.
Александр Дубов
Он расходится с последними теоретическими предсказаниями со статистической значимостью в 5σ
Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2 в Фермилабе по измерению аномального магнитного момента мюона. Согласно анализу данных двух новых сеансов измерений, физикам удалось больше чем в два раза уменьшить неопределенность измеренного значения. С учетом всех собранных Muon g-2 экспериментальных данных, новый результат противоречит последним предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5,0σ. Согласно авторам статьи, препринт которой доступен на сайте эксперимента, статистическая значимость расхождения, вероятно, ослабнет, если включить в расчет предсказаний недавно опубликованные теоретические и экспериментальные результаты других коллабораций. Также о результатах эксперимента рассказывается на сайте ИЯФ имени Будкера, а запись научного семинара с докладом о последних результатах Muon g-2 доступна на YouTube.Значение магнитного момента мюона — одна из немногих напрямую измеряемых аномалий в современной физике, которая может указывать на существования физики за пределами Стандартной модели. Дело в том, что в это значение вносит вклад взаимодействие этого тяжелого лептона с существующими в нашей модели Вселенной виртуальными частицами. За счет большой массы мюона такой вклад различим на фоне хорошо предсказываемых электромагнитных поправок. Он же позволяет судить о существовании потенциально неоткрытых полей и частиц: расхождения измеренного значения магнитного момента и теоретических расчетов может указывать на неполноту теории. Однако сложность таких измерений в том, что относительная разница измеренного экспериментом и предсказанного теорией значений может проявляться только в шестом знаке после запятой. Для достижения такой точности измерений необходим большой массив экспериментальных данных, а также уверенность в том, что из их анализа были исключены любые систематические вклады и неопределенности в теории. Кроме того, сами предсказания Стандартной модели обладают погрешностью и зависят от параметров существующих в ней частиц и процессов. Два года назад мы уже рассказывали о природе аномального магнитного момента мюона и о том, как эксперимент Muon g-2 впервые увидел расхождение теории и эксперимента. Тогда в совокупности с данными двадцатилетней давности эксперимента-предшественника E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории статистическая значимость расхождения составила 4,2 стандартных отклонения (или 4,2σ), чего лишь немного не хватило до общепринятого порога официального открытия в 5σ. Вчера участники коллаборации Muon g-2, в том числе физики из институтов Великобритании, Германии, Италии, Китая, России и США, представили результаты анализа данных двух новых сеансов измерений, которые состоялись в 2019 и 2020 годах. Полученное значение аномального магнитного момента совпало в пределах погрешности с результатами за первый сеанс измерений и эксперимента E821, а относительную точность измерения удалось уменьшить больше чем в два раза: с 0,46 до 0,20 миллионных долей. Как и в первом сеансе набора данных, магнитный момент мюона физики измеряли через разность циклотронной частоты и частоты спиновой прецессии поляризованных антимюонов (частица с противоположным по знаку мюону зарядом, но теми же свойствами) в накопительном кольце в сильном магнитном поле. Эта разность частот пропорциональна абсолютной величине аномального магнитного момента мюона и магнитному полю. Поэтому непрерывно измеряя магнитные поля внутри кольца с помощью ЯМР-проб, физики могли получить искомое значение магнитного момента. При этом сам антимюон в накопительном кольце достаточно быстро распадался на два нейтрино и позитрон, который за счет меньшей массы отклонялся в сторону внутреннего радиуса накопительного кольца, покрытого калориметрами. Искомую разность частот измеряли по колебаниям в количестве электронов, зарегистрированных с помощью этих детекторов. Столь сильно уменьшить погрешность измерений физикам удалось не только за счет увеличения количества набранных данных в 5 раз, но и благодаря оптимизации установки и процесса анализа данных. К примеру, ученые обернули кольцо в теплоизолирующий кожух и улучшили систему кондиционирования экспериментального холла, чтобы уменьшить колебания температуры, которые влияли на магнитное поле внутри установки. Большой вклад также внесли улучшение хранения пучка в кольце и оптимизация квадрупольных и дипольных магнитов в установке с обновленной техникой измерения их влияния на динамику пучка. В результате систематическая погрешность измерений составила всего 0,07 миллионных долей, что уже меньше цели эксперимента в 0,1 миллионных долей. К 2025 году физики собираются достигнуть цель и по статистической погрешности за счет обработки данных еще 3 сеансов набора данных, проведенных в 2021-2023 годах. Формально, с учетом всех собранных данных, измеренное экспериментом Muon g-2 значение аномального магнитного момента мюона уже сейчас противоречит предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5σ, а с учетом данных эксперимента E821 — в 5,1σ. Однако участники коллаборации предостерегают от поспешных выводов: это сравнения с устаревшим расчетом теоретической группы эксперимента, опубликованным в 2020 году. По мнению ученых, недавно опубликованные данные эксперимента КМД-3 в Институте ядерной физики имени Будкера и теоретические расчеты коллаборации BMW должны повлиять на теоретические предсказания и потенциально сблизить их с экспериментально полученным значением. Еще одно прямое указание на Новую физику — переносчик слабого взаимодействия W-бозон. Год назад мы рассказывали о том, что измеренное коллаборацией CDF значение массы этой частицы разошлось с предсказаниями Стандартной модели на 7 стандартных отклонений.