Почему поверхность льда скользкая кратко
Обновлено: 04.07.2024
На гладко натертом полу легче поскользнуться, нежели на обыкновенном. Казалось бы, то же самое должно происходить на льду, т. е. гладкий лед должен быть более скользок, нежели лед бугорчатый, шероховатый.
Но если вам случалось везти нагруженные ручные санки через неровную, бугристую ледяную поверхность, вы могли убедиться, что, вопреки ожиданиям, сани проскальзывали по такой поверхности заметно легче, чем по гладкой. Шероховатый лед более скользок, чем зеркально гладкий! Это объясняется тем, что скользкость льда зависит главным образом не от гладкости, а от совершенно особой причины: от того, что температура плавления льда понижается при увеличении давления.
Разберем, что происходит, когда мы катаемся в санях или на коньках. Стоя на коньках, мы опираемся на очень маленькую площадь, всего в несколько квадратных миллиметров. И на эту небольшую площадь целиком давит вес нашего тела. Если вы вспомните сказанное в главе второй о давлении, то поймете, что конькобежец давит на лед со значительной силой. Под большим давлением лед тает при пониженной температуре; если, например, лед имеет температуру — 5°, а давление коньков понизило точку плавления льда, попираемого коньками, более чем на 5°, то эти части льда будут таять [Теоретически можно вычислить, что для понижения точки таяния льда на 1° требуется весьма значительное давление в 130 кг на квадратный сантиметр. Производят ли сани или конькобежец такое огромное давление на лед? Если распределить вес саней (или конькобежца) на поверхность полозьев (или коньков), то получатся числа гораздо меньшие. Это доказывает, что ко льду прилегает вплотную далеко не вся поверхность полоза, а лишь незначительная часть ее]. Что же получается? Теперь между полозьями коньков и льдом находится тонкий слой воды, — неудивительно, что конькобежец скользит. И как только он переместит ноги в другое место, там произойдет то же самое. Всюду под ногами конькобежца лед превращается в тонкий слой воды. Такими свойствами из всех существующих тел обладает только лед; один советский физик назвал его “единственным скользким телом в природе”. Прочие тела гладки, но не скользки.
[При теоретическом расчете предполагается, что при плавлении и лед, и вода находятся под одинаковым давлением. Автор же описывает примеры, когда вода, образующаяся при плавлении, находится при атмосферном давлении. В этом случае требуется меньшее давление для понижения точки таяния льда. — Прим. ред. ]
Теперь мы можем вернуться к вопросу о том, гладкий или шероховатый лед более скользок. Мы знаем, что один и тот же груз давит тем сильнее, чем на меньшую площадь он опирается. В каком же случае человек оказывает на опору большее давление: когда он стоит на зеркально гладком или на шероховатом льду? Ясно, что во втором случае: ведь здесь он опирается лишь на немногие выступы и бугорки шероховатой поверхности. А чем больше давление на лед, тем обильнее плавление и, следовательно, лед тем более скользок (если только полоз достаточно широк; для узкого полоза коньков, врезающегося в бугорки, это неприложимо — энергия движения расходуется здесь на срезывание бугорков).
Понижением точки таяния льда под значительным давлением объясняется и множество других явлений обыденной жизни. Благодаря этой особенности льда отдельные куски его смерзаются вместе, если их сильно сдавливать. Мальчик, сжимая в руках комья снега при игре в снежки, бессознательно пользуется именно этим свойством ледяных крупинок (снежинок) смерзаться под усиленным давлением, понижающим температуру их таяния. Катая снежный ком для “снежной бабы”, мы опять-таки пользуемся указанной особенностью льда: снежинки в местах соприкосновения, в нижней части кома, смерзаются под тяжестью надавливающей на них массы. Вы понимаете теперь, конечно, почему в сильные морозы снег образует рассыпающиеся снежки, а “баба” плохо лепится. Под давлением ног прохожих снег на тротуарах постепенно уплотняется в лед: снежинки смерзаются в сплошной пласт.
вот тебе занимательная физика. На гладко натертом полу легче поскользнуться, нежели на обыкновенном. Казалось бы, то же самое должно происходить на льду, т. е. гладкий лед должен быть более скользок, нежели лед бугорчатый, шероховатый.
Но если вам случалось везти нагруженные ручные санки через неровную, бугристую ледяную поверхность, вы могли убедиться, что, вопреки ожиданиям, сани проскальзывали по такой поверхности заметно легче, чем по гладкой. Шероховатый лед более скользок, чем зеркально гладкий! Это объясняется тем, что скользкость льда зависит главным образом не от гладкости, а от совершенно особой причины: от того, что температура плавления льда понижается при увеличении давления.
Разберем, что происходит, когда мы катаемся в санях или на коньках. Стоя на коньках, мы опираемся на очень маленькую площадь, всего в несколько квадратных миллиметров. И на эту небольшую площадь целиком давит вес нашего тела. Если вы вспомните сказанное в главе второй о давлении, то поймете, что конькобежец давит на лед со значительной силой. Под большим давлением лед тает при пониженной температуре; если, например, лед имеет температуру – 5°, а давление коньков понизило точку плавления льда, попираемого коньками, более чем на 5°, то эти части льда будут таять [Теоретически можно вычислить, что для понижения точки таяния льда на 1° требуется весьма значительное давление в 130 кг на квадратный сантиметр. Производят ли сани или конькобежец такое огромное давление на лед? Если распределить вес саней (или конькобежца) на поверхность полозьев (или коньков) , то получатся числа гораздо меньшие. Это доказывает, что ко льду прилегает вплотную далеко не вся поверхность полоза, а лишь незначительная часть ее] . Что же получается? Теперь между полозьями коньков и льдом находится тонкий слой воды, – неудивительно, что конькобежец скользит. И как только он переместит ноги в другое место, там произойдет то же самое. Всюду под ногами конькобежца лед превращается в тонкий слой воды. Такими свойствами из всех существующих тел обладает только лед; один советский физик назвал его “единственным скользким телом в природе”. Прочие тела гладки, но не скользки.
[При теоретическом расчете предполагается, что при плавлении и лед, и вода находятся под одинаковым давлением. Автор же описывает примеры, когда вода, образующаяся при плавлении, находится при атмосферном давлении. В этом случае требуется меньшее давление для понижения точки таяния льда. – Прим. ред. ]
Теперь мы можем вернуться к вопросу о том, гладкий или шероховатый лед более скользок. Мы знаем, что один и тот же груз давит тем сильнее, чем на меньшую площадь он опирается. В каком же случае человек оказывает на опору большее давление: когда он стоит на зеркально гладком или на шероховатом льду? Ясно, что во втором случае: ведь здесь он опирается лишь на немногие выступы и бугорки шероховатой поверхности. А чем больше давление на лед, тем обильнее плавление и, следовательно, лед тем более скользок (если только полоз достаточно широк; для узкого полоза коньков, врезающегося в бугорки, это неприложимо – энергия движения расходуется здесь на срезывание бугорков) .
Понижением точки таяния льда под значительным давлением объясняется и множество других явлений обыденной жизни. Благодаря этой особенности льда отдельные куски его смерзаются вместе, если их сильно сдавливать. Мальчик, сжимая в руках комья снега при игре в снежки, бессознательно пользуется именно этим свойством ледяных крупинок (снежинок) смерзаться под усиленным давлением, понижающим температуру их таяния. Катая снежный ком для “снежной бабы”, мы опять-таки пользуемся указанной особенностью льда: снежинки в местах соприкосновения, в нижней части кома, смерзаются под тяжестью надавливающей на них массы. Вы понимаете теперь, конечно, почему в сильные морозы снег образует рассыпающиеся снежки, а “баба” плохо лепится. Под давлением ног прохожих снег на тротуарах постепенно уплотняется в лед: снежинки смерзаются в сплошной пласт.
Узнать, почему можно скользить по льду, учёные пытаются в течение последних 150 лет. В 1849 году братья Джеймс и Вильям Томсон (лорд Кельвин) выдвинули гипотезу, согласно которой лёд под нами плавится потому, что мы на него давим. И поэтому мы скользим уже не по льду, а по образовавшейся плёнке воды на его поверхности.
В 1939 году, когда стало ясно, что понижением температуры плавления скользкость льда не объяснить, Ф. Бауден (Bowden) и Т. Хьюз (Hughes) предположили, что тепло, необходимое для плавления льда под коньком, даёт сила трения. Однако эта теория не могла объяснить, почему так тяжело бывает даже стоять на льду, не двигаясь. С начала 1950-х годов учёные стали считать, что лёд скользкий из-за тонкой плёнки воды, образовавшейся на его поверхности в силу каких-то неизвестных причин. Это вытекало из опытов, в которых изучали силу, необходимую для того, чтобы рассоединить касающиеся друг друга ледяные шарики. Оказалось, чем ниже температура, тем меньше сила нужна для этого (см. рисунок внизу) . Значит, на поверхности шариков есть плёнка жидкости, толщина которой увеличивается с температурой, когда она ещё гораздо ниже температуры плавления. Кстати, так полагал и М. Фарадей ещё в 1859 году, не имея на то никаких оснований.
Водители хорошо знают, что асфальт, покрытый корочкой льда, намного более скользкий, чем мокрое покрытие дороги.
Ребенок может кататься на коньках с не меньшим успехом, чем взрослый человек, даже если ребенок маленький, весит мало и оказывает на лед намного меньшее давление, чем взрослый человек на коньках.
С понижением температуры воздуха требуется все большее давление, чтобы растопить лед, поэтому в холодную погоду коньки должны были бы скользить по льду хуже. А скользить на одном коньке было бы лучше, чем на двух, потому что на лезвие одного конька давление вдвое больше. Тем не менее неверно и то, и другое.
Если даже очень грузный человек в не очень холодную погоду будет стоять на льду неподвижно, под коньками не образуется лужица воды.
Плавление льда — процесс далеко не мгновенный, однако даже при очень быстром беге коньки скользят не хуже, чем при медленном катании.
Нетрудно также оценить давление, которое создает человек на лезвие конька. Если его длина, положим, 20 см, а ширина 2 мм, то площадь под одним коньком равна 4 см 2 . Массу человека примем равной 80 кг, тогда сила давления на конек будет равна 20 атм. При таком давлении температура плавления льда снижается всего на несколько десятых градуса.
Был выдвинут еще один довод в пользу таяния льда: энергия движения конькобежца передается с помощью трения на поверхность льда, и эта энергия идет на его поверхностное плавление. Трение действительно сопровождается выделением теплоты — но только при движении. Однако лед остается очень скользким и для человека, стоящего на месте, что хорошо знают все, впервые вышедшие на лед (причем не обязательно на коньках!).
Разгадка скользкости льда кроется на самом деле в структуре самой его поверхности, где молекулы воды значительно подвижнее, потому что слабее связаны с окружающими молекулами. Под движущимся коньком эти молекулы легко перемещаются, что и снижает трение. Другой механизм скольжения, вероятно, имеет место на синтетическом льду из блоков пластика, чаще всего из высокомолекулярного полиэтилена.
Благодаря устройству учёные впервые смогли продемонстрировать, что трение действительно создает плёнку жидкой воды. При этом плёнка намного тоньше, чем предполагали теоретические оценки (от нескольких сотен нанометров до микрона). Ещё более неожиданным оказалось то, что эта плёнка состоит из воды, которая является такой же вязкой, как масло, со сложными вязкоупругими свойствами. Это неожиданное поведение воды говорит о том, что поверхностный лёд не полностью превращается в жидкую воду, оказываясь вместо этого в смешанном состоянии. Результаты исследования продемонстрировали, что требуется тщательный пересмотр теоретических описаний, которые были предложены для описания трения на льду. Это поможет лучше понять феномен ледяного скольжения.
Читайте также: