Что делает лёд настолько скользким. Задача о ледяных сосульках
Россия — это страна, в любой точке которой температура зимой может опуститься ниже нуля. Это значит, что все, живущие здесь, не понаслышке знают о том, что по льду ходить нужно осторожно — дабы не поскользнуться и не шлёпнуться на пятую точку. Это в лучшем случае. Худшими занимается травматология, и, поверьте, зимой там не скучают.
Учёные сходятся во мнении, что «скользкость» вызывается очень тонким слоем воды на поверхности льда. Однако они не могут прийти к консенсусу относительно того, почему он там образуется. У большинства твердых материалов этот слой отсутствует, но лёд не является типичным представителем этого класса веществ. В этой связи учёные рассматривают варианты, связанные с давлением, трением и особыми способами взаимодействия молекул.
Традиционно считалось, что для того чтобы растопить верхнюю кромку льда, на неё надо немного надавить.
Это хорошо иллюстрируется с помощью коньков и может объясняться одним странным свойством H2O — лёд не такой плотный, как жидкая вода. Когда вы оказываете давление на лёд — например, лезвием конька — система взаимодействия стремится снизить давление, уменьшив объём. Так как вода компактнее, чем лёд, её точка плавления опускается, образуется жидкость, по которой, собственно, и скользит лезвие. После того как визжащий от восторга обладатель спортинвентаря проедет, вода вновь превращается в лёд.
Всё вроде бы очень логично, однако вопросы, тем не менее, остаются. Даже для более тяжёлого конькобежца точка плавления опускается всего на несколько градусов, и это означает, что очень холодный лёд должен оставаться замороженным всегда. Кроме того, люди, ходящие по льду в нормальной обуви и создающие гораздо меньшее давление на него, всё равно поскальзываются. Так что существует и другая возможность — трение обуви по льду создаёт достаточно тепла, чтобы расплавить его. Это действительно правда, но ведь лёд не перестаёт быть скользким, если стоять на нём неподвижно? Так что это объяснение также отвечает не на все вопросы.
Есть и третья гипотеза, основанная на наблюдениях Майкла Фарадея. Он прижал два кусочка льда и заметил, что они слиплись друг с другом. Это позволило ему сделать вывод, что жидкие прослойки на поверхности этих кусков перестали быть таковыми и стали твёрдым льдом, когда потеряли контакт с воздухом. Благодаря этому уже современные учёные выдвинули идею о поверхностном таянии — возможно, молекулы воды движутся на оболочке более свободно, так как ничто не придавливает их сверху. Из-за меньшей стабильности они обладают энергией, достаточной для создания жидкой прослойки даже при отрицательной температуре. Другими словами физика гласит, что поверхность льда скользкая, потому что лед скользкий по своей природе.
Ни одна из описанных гипотез не доказана и не опровергнута полностью, поэтому можно предполагать, что окончательное объяснение, которое, несомненно, будет когда-то получено, явит собой некую их комбинацию. А пока давайте помнить, что лёд — это не только травмпункты и отбитые мягкие ткани, но и множество замечательных видов спорта, веселье и богатырское здоровье. Зима — отличное время года, радуйтесь ей. И берегите себя.
Первый приходящий на ум ответ – потому что он гладкий. И правда, отсутствие повреждений и шероховатостей уменьшает трение между поверхностями. Однако именно лед, а не более экономичное синтетическое покрытие по сей день используют для катания на коньках.
Значительно снижает трение смазка между поверхностями. В машиностроении это – индустриальные масла, в кулинарии - растительные и животные жиры, а в катании на льду – вода. Однако температура замерзания воды известна каждому - это 00С, а кататься на коньках можно и в -100С, и в -200С. Казалось бы, воде взяться неоткуда.
Иногда появление тонкой пленки воды на ледяной поверхности объясняется довольно большим давлением полозьев на лёд. Действительно, под коньками взрослого человека массой около 70 кг создается давление, в 15 раз превышающее атмосферное. Однако даже такое усилие способно расплавить лед лишь при температуре -0,10С.
Еще одна распространенная версия объясняет появление воды на поверхности катка действием силы трения при движении полозьев по льду. Но эта теория умалчивает о том, почему мы скользим даже тогда, когда пытаемся устоять на месте. Трения в такие моменты не возникает, а слой воды, тем не менее, есть.
Рациональное объяснение было получено только в конце 90-х годов ХХ века при помощи AFM-микроскопии (микроскопии рельефа поверхностей). Ученые выяснили, что скорость колебания молекул льда, находящихся у поверхности, в 100 000 раз больше скорости колебаний во внутренних слоях. Это приводит к тому, что поверхность льда уже не имеет четкой кристаллической структуры и по строению скорее напоминает жидкость, чем твердое тело.
Получается, что даже при очень низких температурах на поверхности льда присутствует тончайшая водяная пленка, делающая его скользким. Но чем ниже температура окружающей среды, тем хуже скольжение, ведь слой воды становится все тоньше и тоньше.
Так, при 50С толщина водяной пленки - около 100 нанометров (т.е. одна десятитысячная миллиметра), при -350С – около 10 нм, а при -1700С образуется слой воды толщиной всего в одну молекулу. Скользить на коньках в этих условиях было бы довольно проблематично.
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.
Почему лед скользкий?
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 ранее 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 . 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.
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.
Цель. Развивать познавательную и речевую активность.
Задачи :
1. Познакомить детей со свойствами льда;
2. Показать зависимость силы трения от характера поверхности, значение водяной плёнки в скольжении ;
3. Закреплять умение получать информацию во время видеопросмотра;
делать выводы на основе, проведённых опытов ;
4. Воспитывать самостоятельность, активность.
Предварительная работа : оформление презентации «Почему скользят коньки ?» совместно с родителями, замораживание льда.
Материал : оборудование для просмотра мультимедиа; презентация «Почему скользят коньки ?» ; лэпбук «Про лёд» , листки бумаги, фломастеры, кубики льда, пластиковые тарелки, стаканчики с водой, молоток, лист стекла небольшого размера.
Ход занятия.
I. Организационный момент (2 мин.)
Воспитатель. Идет зима. Прекрасное время года.
Много нам забав чудесных дарит зимушка-зима :
Мы катаемся на санках. Лепим мы снеговика И в хоккей играем дружно, И на лыжах с гор летим. И пора нам в детский садик, А мы вовсе не хотим. (автор : Боровлева Н. А.)
У каждого из вас есть своя любимая игра. О своей любимой игре зимой нам расскажет Савелий.
II. Основная часть (22 мин.)
1. Представление исследовательского проекта ребёнком.
Воспитатель. Вы внимательно слушали рассказ.
А как вы думаете, сможем ли мы с вами повторить исследование Савелия? Или это получилось только у него (ответы детей)
Начиная наше исследование, вспомним, что мы должны узнать. (ответы детей)
2. Проведение детьми опытно- экспериментальной деятельности .
Воспитатель. Давайте проведём опыт : «Свойства льда» .
Возьмите в руки кубик льда.
Какой он внешне?
Какой он на ощупь?
Постучим по кубику льда молотком. Что произошло?
Положите кубик льда в стакан. Посмотрите, утонет ли лёд?
Зажмите кубик льда в ладони. Что происходит со льдом?
(дети выполняют манипуляции со льдом, отвечают на вопросы) .
Обобщение. Лёд прозрачный. Он холодный, гладкий на ощупь. Одновременно твёрдый и хрупкий. Лёд не тонет в воде. В тепле он легко превращается в воду.
Как вы думаете, какое из перечисленных свойств делает лёд скользким ?
(ответы детей)
Для уточнения этого, сравним стекло и лёд.
Опыт «Почему лёд скользкий ?»
Дети рассматривают стекло совместно с воспитателем, сравнивают их внешние свойства.
Обобщение. Стекло и лёд очень похожи : стекло, как и лёд, прозрачное, холодное, гладкое. Одновременно твёрдое и хрупкое.
Но лёд более скользкий , чем стекло. Почему ?
Чтобы ответить на это, расскажите, что происходит с поверхностью льда во время скольжения по нему ?
Проведите пальчиком по льду и стеклу, что происходит с ними (ответы детей)
Обобщение. При воздействии лёд легко тает, образуется вода, которая помогает скольжению , а стекло не тает, поэтому и скользить по нему , как льду, нельзя.
3. Оформление детьми лэпбука «Про лёд» .
Воспитатель. Нарисуйте всё, что вам было особенно интересно и больше понравилось сегодня на занятии.
Дети рисуют запомнившиеся моменты занятия, оформляют совместно с воспитателем лэпбук «Про лёд» .
III. Заключительная часть (1мин.)
Воспитатель. Сегодня мы проводили научные опыты , благодаря которым узнали о свойствах льда; о зависимости быстроты скольжения от характера поверхности, на которой происходит скольжение ; о значение водяной плёнки в скольжении . Вечером поделитесь своими научными открытиями с мамами и папами.
