Чому лід слизький?

Предмети ковзають одна відносно одної тоді, коли тертя між їх поверхнями мало. Наука, що вивчає тертя, називається трибологов. Вона розрізняє два види тертя: сухе, коли в проміжку між стосуються поверхнями рухаються один щодо одного тіл немає ні рідини, ні газу; і рідинне, коли поверхні предметів на значних ділянках розділені рідиною або газом, що грають роль мастила.

Мастило сильно зменшує тертя. По-перше, вона усуває шорсткості поверхонь, що труться. По-друге, змінює взаємодію між молекулами ковзають тел, бо її молекули самі починають брати участь в складних фізико-хімічних взаємодіях. Різноманітність речовин і умов взаємодії виявляється більшим, тому для різних цілей і в різних умовах доводиться користуватися величезною кількістю різноманітних мастил.

Тепер зрозуміло, що лід ковзає тому, що між ним і ковзаючою поверхнею - полозом коника або саней, лижею або підошвою нашого взуття - є мастило. Але ось звідки вона там взялася?

Над цим питанням наука зі змінним успіхом б'ється вже більше 150 років. Всі гіпотези сходилися на тому, що такий мастилом служить вода. Наприклад, брати Джеймс і Вільям (лорд Кельвін) Томсон в 1849 році висунули гіпотезу, що лід плавиться від тиску на нього. Однак кількісно вона не підтвердилася. У 1939 році Філіп Бауден і Теренс Хьюз припустили, що тепло, необхідне для плавлення льоду, дає сила тертя при ковзанні. Але ця теорія не пояснювала, чому ж навіть стояти буває слизько.

До 50-х років XX століття все здалися. Лише в кінці 90-х за допомогою рентгенівських променів, атомно-силової мікроскопії, ядерно-магнітного резонансу і дослідження розсіювання льодом протонів було, нарешті, доведено, що на поверхні льоду, тобто на кордоні між льодом і повітрям, аж до температури -100 ℃ є шар рухливих молекул води. При температурі -35 ℃ товщина її шару дорівнює приблизно 0,01 мікрона, а при температурі -5 ℃ - 0,1 мікрона.

Загалом, всі погоджуються з таким простим поясненням. Молекули води, як відомо, можуть переходити з твердої кристалічної фази, льоду, прямо в газоподібну фазу - водяні пари в повітрі. Дійсно, це так, інакше б білизна на морозі не сохло! Внаслідок цього переходу на кордоні твердого льоду і навколишньої атмосфери утворюється перехідна зона, в якій молекули ще не зовсім вільні, як в газі, але вже і не вбудовані в жорстку кристалічну решітку льоду.

На дослідження льоду тільки в США перші десять років XX століття витрачено понад 20 млн доларів. Однак повного теоретичного пояснення властивостей перехідної зони поки немає. Проте управляти цими властивостями вже намагаються. Наприклад, саме на цьому в значній мірі побудований керлінг, де гравці труть спеціальними щітками лід, щоб вплинути на рух пущеного каменю. А російський фізик Віктор Петренко виявив, що при дії електричного поля предмети можуть швидко приморожують до льоду. На цьому ефекті він створив лижі з керованим ковзанням. На черзі автомобільні шини, а може бути, і безпечна зимове взуття.

Владимир Антонец
Простые вопросы. Книга, похожая на энциклопедию

Зміст