Что делает лёд настолько скользким. Дополнительная информация по книге "Скользкий"

Почему лёд скользкий?

Лёд скользкий потому, что он гладкий - скажете вы. Но что более гладко-лёд или стекло? Конечно, стекло. Почему же на коньках катаются по льду, а не по стеклу? Самые острые коньки на стеклянном или по­лированном каменном полу не скользили бы так легко, как по льду. Значит дело ке в гладкости льда, а в чём-то другом.

Секрет состоит в том, что на катке мы скользим не по льду, а... по воде. При движении лёд под коньками тает, и образуется тонкая прослойка воды.

Почему же тает лёд под коньками? Вопрос этот не совсем ясен, но некоторые учёные считают, что причина этого опять-таки в трении. Между коньками и льдом раз - вивается сильное трение. Как всегда, при трении выде-
ляетсятепло. Оно-то и нагревает лёд в небольших участ­ках под лезвием конька и лёд там плавится (рис. 17). Лёд как бы сам себя смазывает.

То же самое получается при катании на лыжах. Снег под лыжами тает в отдельных местах, и лыжи легко скользят по тонкой плёнке воды. Лучше всего идут лыжи примерно при двадцати градусах мороза. При такой температуре выделяющегося при трении тепла хватает на то, чтобы снег плавился в отдель­ных местах под лы­жами. По сухому «несмазанному» во­дой снегу скользить совсем не так легко.

Это особенно замет­но в сильный мороз.

Полярники, которым приходилось ходить на лыжах в тридца - ти-сорока-градусные морозы, рассказыва­ют, что впечатление получается как будто лыжи тянутся по песку. Происходит это потому, что при таких морозах снег не тает под лыжами и скользить при­ходится по сухому снегу.

Помимо естественной «смазки» водой, применяют искусственную; для ещё большего уменьшения тре­ния лыжи смазывают особой лыжной мазью. Трение сухого снега о слой смазки меньше чем о деревянные лыжи.

Только ли снег или лёд имеют способность смазывать сами себя? Оказывается, есть и другой пример. Трение поршней, скользящих по стенкам цилиндров двигателей, уменьшается со временем. В чём здесь дело? Оказывается, при нагревании чугунных стенок цилиндра, углерод, содержащийся во всяком чугуне, выделяется на их поверхности в виде тонкой плёнки графита - чёрного блестящего вещества, из которого делают карандашные грифели. Этот графит и играет роль смазки. Его частицы очень легко скользят друг по другу, понижая трение скольжения.

П Рочтя эту книжку, вы познакомились с трением; Вы узнали, какое важное значение имеют силы тре­ния в повседневной жизни и в технике. . Теперь вы знаете, какие встречаются разновидности сил …

Наш рассказ о трении подходит к концу. Мы узнали, какое большое значение имеет трение в повседневной жизни, на производстве и транспорте; как важно бывает в одних случаях сделать трение как …

Заменив в шариковых подшипниках сухое трение скольжения трением качения, инженеры выиграли боль­шое сражение против трения. Но о™ не успокоились на этом. Оставалось ещё по­бедить застой. Застой, как мы знаем, присущ …

Действительно, если увеличить давление, то температура плавления льда понизится. Происходит это вот почему. Известно, что плотность льда меньше, чем воды, и поэтому, когда лёд сжимают, он, пытаясь уменьшить деформацию, вызванную ростом давления, понижает температуру плавления. Это одно из проявлений, так называемого, принципа Ле Шателье - «Внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия».

Однако, как показали эксперименты (см. рисунок сверху), чтобы понизить температуру плавления льда на один градус необходимо давление увеличить до 121 атмосфер (12,2 МПа). Попробуем посчитать, какое давление оказывает спортсмен на лёд, когда скользит по нему на одном коньке длиной 20 см и толщиной 0,3 см. Если считать, что масса спортсмена 75 кг, то его давление на лёд составит около 12 атмосфер. Таким образом, стоя на коньках, мы едва ли сможем понизить температуру плавления льда больше, чем на 0,1 о С. Значит, объяснить скольжение по льду в коньках и, тем более, в обычной обуви, опираясь на принцип Ле Шателье, невозможно, если за окном, например, -10 о С.

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.

Только в конце 1990-х годов изучение того, как рассеивает лёд протоны, рентгеновские лучи, а также исследования с помощью AFM микроскопии показали, что его поверхность не является упорядоченной кристаллической структурой, а скорее похожа на жидкость (см. рис. внизу). К такому же результату пришли и те, кто изучал поверхность льда с помощью ЯМР. Оказалось, что молекулы воды в поверхностных слоях льда способны вращаться с частотами в 100 000 раз большими, чем те же молекулы, но в глубине кристалла. Значит, на поверхности молекулы воды уже не находятся в кристаллической решётке.

Схематическое изображение кристалла льда в его глубине (низ) и на его поверхности.

Расположенные на поверхности льда молекулы воды находятся в особых условиях, т.к. силы, заставляющие их находиться в узлах гексагональной решётки, действуют на них только снизу. Поэтому поверхностным молекулам ничего не стоит «уклониться от советов» молекул, находящихся в решётке, и если это происходит, то к такому же решению приходят сразу несколько поверхностных слоёв молекул воды. В результате, на поверхности льда образуется плёнка жидкости, служащая хорошей смазкой при скольжении. Кстати, тонкие плёнки жидкости образуются не только на поверхности льда, но и у некоторых других кристаллов, например, свинца.

Толщина жидкой плёнки растёт с ростом температуры, так как более высокая тепловая энергия молекул вырывает из гексагональных решёток больше поверхностных слоёв. По некоторым данным толщина водной плёнки на поверхности льда, равная при -5 градусах 100 нм, при -35 градусах уменьшается в десять раз - до 10 нм, а при -170 градусах она состоит вообще из одного слоя молекул. Так, жители Арктики рассказывают, что тащить по льду сани при очень низких температурах то же, что тащить их по песку (ведь смазки в этом случае мало).

Наличие примесей (молекул, отличных от воды) тоже мешает поверхностным слоям образовывать кристаллические решётки. Поэтому увеличить толщину жидкой плёнки можно, растворив в ней какие либо примеси, например, обычную соль. Этим и пользуются коммунальные службы, когда борются зимой с обледенением дорог и тротуаров.

Из книги К.Ю. Богданова "Прогулки с физикой".

Константин Богданов, Земля (Sol III).

Итак, лёд скользкий именно потому, что его молекулярная природа предусматривает наличие тонкой плёнки воды на поверхности, которая играет роль смазки. С понижением температуры лёд теряет своё “скользкое” свойство.

По материалам:

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.

Всем детям, несомненно, нравится лед, который зимой дарит столько радости. Катание с горки, на коньках — красота! Откуда же появляется лед? Где льда больше всего? Почему лед скользкий и почему льдины плавают? Можно ли увидеть лед летом? На все эти и другие вопросы ответит наш рассказ про лед.

В природе лед встречается там, где холодно. И это неспроста. Оказывается, что такое известное вещество, как вода, при охлаждении до определенной температуры затвердевает и превращается в лед. Итак, лед – это замерзшая вода. Когда наступает зима, поверхность рек и озер покрывается льдом.

Почему лед не тонет в воде?
По какой причине мы наблюдаем лед именно на поверхности воды, а не где-то в глубине? Причина в том, что плотность льда меньше, чем у воды. За счет меньшей плотности лед легче воды и плавает на ее поверхности.

Изменение плотности во время превращения воды в лед порождает интересные эффекты. Например, стеклянную бутылку с водой, выставленную на мороз, разрывает на части, когда вода в бутылке превращается в лед. Поэтому следует быть осторожным при охлаждении напитков на морозе.

Почему лед скользкий?
А почему же лед скользкий? На этот вопрос знают ответ ученые-физики. Они объясняют, что при давлении на поверхность льда (когда мы наступаем на лед ногой или катимся по нему на коньках) лед немного плавится и возникает тонкая водяная пленка, которая и обеспечивает скольжение.

Свойство льда – скользкость — очень нравится всем детям. Как здорово зимой скатиться с высокой ледяной горки, покататься на катке на фигурных коньках или поиграть в хоккей!

Всегда ли тает лед?
В нашем сознании лед неразрывно связан с зимой. А есть ли места на нашей планете Земля, где лед не тает никогда? Да, такие места есть. Это ледники, которые находятся на вершинах высоких гор и в полярных областях Земли — в Арктике и в Антарктиде. Причем наибольшие запасы льда накоплены именно в ледниках Антарктиды, где толщина льда местами достигает четырех километров!

Ледники, соприкасающиеся с океаном, рождают айсберги. Айсберг – это часть ледника, отколовшаяся от него и свободно плавающая в океане. Айсберги представляют определенную опасность для мореплавателей.

Практическое использование льда
Способность льда накапливать холод люди давно научились использовать в практических целях. Еще в древние времена они устраивали искусственные ледники для хранения скоропортящихся продуктов. Такой ледник представлял собой деревянный сруб, врытый в землю и накрытый толстым слоем земли и дерна. Получившееся подземное помещение зимой наполняли льдом, который не таял даже летом.

Что такое град?
А может ли лед образоваться летом? Да, такое возможно, если в очень жаркий день влажные воздушные массы поднимутся на высоту выше 2,5 километров, где температура воздуха ниже точки замерзания воды. В таких условиях водяные капли замерзают и тогда на землю выпадает град – льдинки круглой или неправильной формы размером от горошины до голубиного яйца. Иногда градины бывают и более крупного размера. Град может представлять опасность для людей, для техники, для природы.

В первый раз, когда вы наступаете на ледовый каток, вы делаете это боязливо опасаясь падения. Но что делает лёд настолько скользким? Интересно, что ученые отвечают.

Физики верили, что лёд скользкий из-за воздействия силы тела. Это давление, которое они теоретизируют, увеличивает температуру плавления верхнего слоя льда.

Когда человек катается на льду, под давлением вызванном металлическим лезвием коньков, тает лёд. Этот тонкий слой воды позволяет коньку плавно скользить по поверхности. После прохождения льда колея снова замерзает.

Однако большинство ученых утверждают, что эта теория ошибочна. Лёд — загадочное тело, говорит Роберт М. Розенберг, профессор химии в Университете Лоуренса.

Исследователи обнаружили, что давление которое снижает температуру плавления льда, составляет лишь небольшое повышение градуса. Вместо этого они предложили, что трение конька заставляет лёд таять под ним.

Другие полагают что лёд естественно имеет слой жидкости, состоящий из нестабильных . Хотя эти молекулы стремятся к стабильности, они хаотично движутся по поверхности льда и создают скользкий слой.

Почему горячая вода замерзает быстрее?

Команда исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре считает это хорошей тайной почему горячая вода замерзает быстрее холодной. Это явление, которое кажется совершенно нелогичным, уже было замечено самим Аристотелем. Он рассказывал, что некоторые жители нынешней Турции распыляли доски своих заборов горячей водой на которые нельзя было влезть, потому что таким образом они замерзали быстрее.

Однако до 70-х годов он получил название, эффект Мембы. Эрасто Б. Мемба, который понял в школе, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее.

Но до сих пор ученым не удалось найти удовлетворительного объяснения. По их мнению, дело связано с тем, как энергия хранится в водородных связях между молекулами воды.

Как известно, молекулы воды имеют один атом кислорода и два атома водорода, все они связаны ковалентными связями (обмен электронами).

В молекулах воды атомы водорода также притягиваются к атомам кислорода в других соседних молекулах воды. Это называется водородной связью. Но в то же время молекулы воды в целом отталкиваются друг от друга.

Авторы исследования отмечают, что чем больше воды нагревается, тем больше расстояние между молекулами обусловлено силой отталкивания между ними. Это заставляет молекулы водорода растягиваться, так что энергия сохраняется. Эта энергия, по мнению исследователей, высвобождается, когда вода охлаждается, позволяя молекулам сблизиться.

Горячая вода имеет большее количество водородных связей, чем холодная вода. Поэтому она хранит больше энергии и больше выделяется при воздействии температур ниже нуля. Вот почему, говорят исследователи, она замерзает быстрее, чем холодная вода.