Физики объяснили низкую скользкость льда при приближении к температуре плавления

Физики установили, что на скользкость льда влияет не только тонкий слой жидкости, возникающий на поверхности, но и ряд других факторов: твердость льда, форма скользящего предмета и сила, с которой он давит на поверхность. Им удалось объяснить, почему при температурах, близких к температуре плавления, лед резко становится значительно менее скользким. Статья опубликована в журнале Physical Review X.

При отрицательных температурах вода замерзает и превращается в лед, по которому можно скользить. Это физическое явление кажется очень простым, но на самом деле физики еще с середины 19 века пытаются описать все факторы, влияющие на скользкость льда.

Скольжение предметов по льду объясняют появлением тонкого слоя воды под ними. Долгое время считалось, что давление на лед приводит к понижению его температуры плавления, и он начинает таять даже при отрицательных температурах. Но чтобы заставить лед таять хотя бы при минус пяти градусах, нужно приложить давление в 610 атмосфер. Это примерно эквивалентно тысяче слонов, поместившихся на катке площадью один квадратный метр. Поэтому позже физики стали связывать появление слоя воды не с давлением, а с нагреванием из-за трения предметов о лед.

Это объяснение подтвердили в 2019 году французские ученые. Они выяснили, что слой жидкости на льду действительно присутствует, его толщина составляет всего несколько сотен нанометров, и это не просто вода, а вязкая смесь воды с дробленым льдом.

Есть две температурных области, в которых лед ведет себя необычно и резко становится намного менее скользким: при охлаждении до −80 градусов Цельсия и при нагревании до температуры, близкой к температуре плавления. При этом при температуре от −10 до −5 градусов Цельсия он наоборот становится очень скользким. Ранее немецкие и голландские физики объяснили уменьшение скользкости льда тем, что при охлаждении снижается подвижность молекул воды в поверхностном слое. Это и приводит к возрастанию коэффициента трения.

Физики из Амстердамского университета под руководством Ринса Лиферинка (Rinse Liefferink) продолжили исследование своих коллег и изучили резкое уменьшение скользкости льда около нуля градусов. Это явление уже нельзя объяснить возникновением слоя жидкости: ученые пытались связать возрастание коэффициента трения с увеличением толщины этого слоя, но их теория не подтвердилась экспериментально.

Ученые провели серию экспериментов по скольжению с предметами разной формы: большими и маленькими сферами, лезвием, напоминающим лезвие конька. Температуру льда меняли в диапазоне от −120 до −1,5 градусов Цельсия. Чтобы сохранить лед гладким, ученые добавляли на него новый слой воды после каждого эксперимента.

Помимо коэффициента трения, физики измерили твердость льда. При приближении к температуре плавления твердость резко снизилась.

По более мягкому льду предметы уже не просто скользили, а «врезались» в него, как плуг в пашню. Для сфер этот эффект проявился при −20 градусах, а для конька — при −8. Это показало, что на скользкость льда при высоких температурах влияет уже не поведение молекул жидкости в поверхностном слое, а целый ряд других факторов: твердость льда, форма скользящего предмета и сила, с которой он давит на поверхность.

В процессе «вспахивания» образуются мелкие осколки льда, которые тоже влияют на движение предмета. Особенно это заметно при движении туда-обратно на небольшом участке: для металлической сферы, которую катали по одной и той же площадке льда, коэффициент трения так и не стал постоянным со временем.

Другой интересный результат новых наблюдений — лед оставался скользким даже при скорости предмета один микрометр в секунду, хотя нагрев от трения при таком медленном движении становится почти незаметным. Кроме того, скорость не менялась при использовании материалов с разной теплопроводностью. Это демонстрирует, что коэффициент трения определяется не столько количеством теплоты и, соответственно, плавлением льда, сколько формой предмета и другими условиями.

Даже такой простой физический объект, как лед, может удивлять. Убедиться в этом можно, прочитав наш материал «Карусель для уток» о блинчатых льдинах или новость о ледяных вулканах на озере Мичиган.

Екатерина Назарова