Десятилетиями никто не знал наверняка, почему лед скользит. Теперь молекулярное исследование двух братьев-ученых выявило удивительный ответ.
Те, кто живет в более холодном климате, привыкли жить на скользком льду всю зиму, будь то катание на коньках по замерзшим рекам и озерам или серьезная опасность падений и аварий на тротуарах и дорогах. Оказывается, ученые не знали ответа до недавнего времени, когда было обнаружено, что виноваты несколько лишних молекул на поверхности льда.
Поскольку лед менее плотный, его температура плавления снижается при высоких давлениях. Старая теория утверждала, что именно это заставляет его скользить: когда вы наступаете на него, давление вашего веса на поверхность заставляет самый внешний слой таять.
Однако «это невозможно», отмечает Миша Бонн, директор отдела молекулярной спектроскопии Института исследований полимеров им. Макса Планка (Германия).
«Давление должно быть очень большим, чего вы не сможете достичь даже при ходьбе слона в туфлях на высоком каблуке», указывает Бонн.
Ни давления, ни трения: что-то не сходилось
Другая гипотеза основана на том, что тепло, создаваемое трением при ходьбе по льду, является причиной образования тонкого слоя воды. Но лед скользит не только при ходьбе, как вы, возможно, обнаружили бы, если бы когда-нибудь пользовались роликовыми коньками. Даже если давление или тепло растопят ледяную воду, может ли это объяснить ее скользящее поведение?
Даниэль Бонн, физик из Амстердамского университета (Нидерланды), уверяет, что нет. «Теория водяного покрова не имеет особого смысла. Если вы прольете стакан на кухонный пол, он немного соскользнет, но не сильно… Этого недостаточно, чтобы объяснить это явление», указывает он.
Миша и Даниэль Бонн, братья и сестры, опубликовали исследование в Журнале химической физики, в котором описывают поверхность льда.
Находка: рыхлые молекулы, похожие на мрамор
Вместо слоя воды они обнаружили рыхлые молекулы. Миша сравнивает это с «полом танцпола, усыпанным мрамором». Поэтому ступить на эту поверхность было бы все равно что катить эти молекулярные шарики.
Лед имеет регулярную кристаллическую структуру, где каждая молекула воды связана с тремя другими. Однако те, что находятся на поверхности, могут быть связаны только с двумя другими. Поскольку их связь с кристаллом очень слабая, они не очень стабильны и постоянно соскальзывают, соединяются и высвобождаются из различных точек кристалла.
Хотя мы скользим по льду, когда наступаем на эти молекулы, их поведение отличается от поведения слоя воды. Начнем с того, что они продолжают действовать таким образом при температурах значительно ниже нуля. На самом деле они так свободно перемещаются по поверхности, что «больше похожи на двумерный газ, чем на трехмерную жидкость», отмечает Даниель.
Но происходит ли это только со льдом?
Мартин Трюффер, физик из Университета Аляски в Фэрбенксе (США), говорит нам, что нет. «Хотя лед особенный, потому что это единственный материал, который мы можем найти в трех его состояниях – твердом, жидком и газообразном – в пределах климатического диапазона, в котором мы живем», утверждает он.
Трюффер, живущий в Фэрбенксе (Аляска), испытал замерзание воды значительно ниже точки плавления, при температуре минус 40°C. «Снег становится похожим на наждачную бумагу».
Это происходит потому, что при очень низких температурах у молекул на поверхности не так много энергии, чтобы разрывать и образовывать связи при движении по кристаллу. Итак, лед не скользит. Согласно исследованиям братьев Бонн, лед проявляет максимальное скольжение при температуре около -7 ºC. Но некоторые люди уже знали: это температура, при которой катки для скоростного катания на коньках остается постоянной.
Сравнительный анализ: скользят ли так же другие ледяные материалы?
Как лед сравнивается с другими холодными поверхностями, такими как плотный снег или иней? Ответ кроется в структуре и поведении каждой поверхности.
В исследовании Frontiers in Mechanical Engineering рассматриваются пять механизмов трения во льду и снегу, подчеркивается, что, в то время как лед представляет собой кристаллическое твердое вещество, склонное к образованию поверхностного квазижидкого слоя, снег действует как более пористый и абразивный материал. с большей механической прочностью на скольжение.
Разница бросается в глаза в зимних видах спорта: на плотном снегу лыжи создают повышенное трение из-за деформации и сжатия мантии, особенно при температурах ниже -10 ° C, где трение лучше объяснить разрушением и истиранием кристаллов, а не плавлением.
С другой стороны, на чистом льду коэффициент трения может быть чрезвычайно низким, что облегчает скольжение при катании на коньках.
Поверхностные молекулы действуют как естественная смазка, уменьшая трение более эффективно, чем мороз. Кроме того, лед может образовывать микроскопический слой воды под действием теплового трения или давления, хотя недавние исследования, такие как исследования братьев Бонн, показали, что присутствие таких рыхлых молекул — больше, чем жидкой воды — является истинная причина скольжения.
Противоскользящие технологии: наука против падений
Когда дело доходит до предотвращения скольжения и несчастных случаев на обледенелых поверхностях, инженеры применили принципы, аналогичные ледяным, с инновациями в подошвах обуви, зимних шинах и противоскользящих аксессуарах.
Подошвы обуви со специальными составами и микроструктурами: исследователи из WinterLab в Торонто оценили различные подошвы и обнаружили, что технологии, основанные на передовых резиновых составах, позволяют пользователю ходить по мокрому льду, не скользя на склонах до 7°. Хотя многие обычные подошвы выходят из строя, эти составы значительно улучшают защиту от падений, хотя их характеристики могут снизиться при длительном использовании.
Приспособления для удержания обуви: ледяные кошки без шипов повторяют действие зимних шин на обувь — микроканалы для отвода воды, составы, поддерживающие гибкость при -40 °C, и небольшие насосы, повышающие контактное давление. Эти нововведения увеличивают сцепление с дорогой без повреждения внутренних полов.
Зимние шины: в них используются комбинации более мягкой резины — чтобы она не затвердевала при низких температурах — и особые конструктивные особенности. Глубокие борозды и тонкие ламели позволяют уплотнять снег, отводить воду и обеспечивать дополнительные укусы на обледенелых поверхностях.
Культура и диковинки льда
С древних времен лед был столь же жизненно важным, сколь и волшебным средством для жизни в холодных регионах. В таких регионах, как Сибирь, Финляндия или Монголия, озера на месяцы превращаются в ледяные дороги.
Например, в Монголии ежегодный фестиваль на озере Хевсгель собирает местных жителей и гостей города, чтобы попрактиковаться в гонках на санях, фехтовании на льду и даже сумо посреди замерзшего озера!
Но лед был не только средством передвижения или развлечения, но и типичной ареной соревнований. Конькобежный спорт восходит к тринадцатому веку в Нидерландах и дебютировал на первых зимних Олимпийских играх в 1924 году.
Эти примеры показывают, что лед — это не только препятствие, но и культурный, спортивный и экономический ресурс. Это поверхность, которая связала сообщества, вдохновила на ритуалы и позволила достичь исключительных человеческих достижений — от тихих караванов по замерзшим озерам до олимпийских чемпионов, элегантно скользящих по элитным трассам. А все благодаря уникальному сочетанию хрупкости, прочности и способности скользить.
Источники:
doi: 10.3389/fmech.2021.690425
doi: 10.1021/acs.jpclett.8b01188
