Павел корнев "скользкий". Лед плавится под давлением

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.

Что лед скользок, знают все, а вот почему лед скользкий - не всякий сумеет объяснить.

Трение между льдом и сталью конька порождает тепло

Лед плавится под давлением

Один английский ученый утверждал, что лед скользок потому, что он обладает замечательной способностью плавиться под давлением - таять.

Конькобежец тяжел, а скользкая поверхность конька мала,

Говорил этот ученый. -

От сильного давления лед слегка плавится, подтаивает. Между скользящей поверхностью конька и льдом образуется тончайшая пленка воды. Эта вода служит естественной смазкой и делает лед скользким.

Такое объяснение в течение долгого времени считалось общепризнанным и правильным. Так было напечатано в старых учебниках и в популярных книгах. Но это объяснение оказалось не совсем верным. Между поверхностью льда и коньком действительно образуется пленка воды, но получить ее одним только давлением нельзя, даже если на коньки поставить слона.

Трение ведет к выделению теплоты

Ошибку разъяснил советский ученый В. Б. Вейнберг . На коньках катаются не только взрослые и толстые люди, обладающие солидным весом. Это любимая забава малышей. Они прекрасно скользят на коньках, хотя давление на лед, оказываемое ими, совсем невелико. Если бы лед под коньком действительно плавился от давления, то кататься на катке можно было бы только при температуре не свыше одного градуса мороза.

От этого тепла и плавится лед, а образовавшаяся при этом водяная пленка создает смазку и облегчает движение конькобежца. Во время очень сильных морозов теплоты, развивающейся от трения, оказывается уже недостаточно, чтобы расплавить лед под коньком. Тогда кататься на катке неприятно - спортсмены говорят, что лед «сухой».

Для жителей холодных районов зима открывает перспективы веселого времяпрепровождения. Люди стремятся прогуляться на каток, скользят по льду замерзших водоемов и даже опасных скользких дорог и тротуаров. Но далеко не все из них задаются вопросом, почему же лед настолько скользкий.

Любопытный вопрос

Оказывается, ученые и сами до недавнего времени не знали ответа на данный вопрос. Новые исследования показали, что эта скользкость может быть вызвана "лишними" молекулами на самой поверхности льда.

Как выяснилось, старые теории уже не имеют смысла. Ранее считалось, что именно давление, оказываемое на лед, заставляет его быть скользким. Поскольку лед не настолько плотный, как вода, то его температура плавления снижается под действием высоких давлений. То есть верхний слой льда подтаивает под давлением вашего веса. Эта тонкая водяная прослойка между льдом и предметом, оказывающим на него давление, и вызывает скольжение. Но этот слой воды настолько тонкий, что его невозможно увидеть невооруженным глазом.

Опровержение

Ученые уже готовы опровергнуть теорию, которую годами считали справедливой, потому что другого объяснения у них просто не было. Теперь же они утверждают, что для подтаивания льда необходимо оказывать на него слишком большое давление, больше веса слона.

Исследователи опровергли и другую теорию, гласящую о том, что тонкий слой воды может создаваться во время трения, когда вы передвигаетесь по льду. Но его скользкость ведь ощущается все время - не только при движении, но и под действием первого прикосновения. К тому же не все ученые считают, что вода могла бы объяснить скольжение на льду.

Пролитая на пол вода может заставить поверхность скользить, но на полу не будет так сколько, как на льду. Нельзя пояснить это свойство ледяной поверхности и ее гладкостью. Стекло более гладкое, однако его поверхность не такая скользкая, в то время как шероховатый лед и снежная корка скользят порою значительней, чем самый гладкий лед.

Настоящая причина

Открытие удалось сделать двум братьям - Мише и Даниэлю Бонн. Свою статью, описывающую поверхность льда, они опубликовали в научном журнале. Вместо воды на его поверхности оказались свободные молекулы. А скольжение обеспечивается тем, что объект будто катится по множеству мелких шаров.

Сам лед имеет аккуратную закрепившуюся структуру, где каждая молекула прикреплена к трем другим. Но молекулы на его поверхности могут присоединяться только лишь к двум другим. Слабо связанные с остальной прочной поверхностью, они падают, отделяются друг от друга и прикрепляются к другим по мере своего перемещения.

Совсем не вода

Скольжение на льду обеспечивается прокатыванием этих молекул, однако они представляют собой вовсе не воду. Существуя при температурах, которые значительно ниже точки замерзания воды, они больше похожи на газ.

По словам профессора физики из Аляски, лед необычен тем, что мы сталкиваемся с ним близко к точке его плавления. Это единственный материал, который может иметь твердую, жидкую и газообразную фазу в обычный климатических условиях. Изучая лед, ученый испытывал его при температуре -40 °C. В таких условиях его поверхность становилась похожей на наждачную бумагу.

Эти наблюдения подтверждают открытие братьев Бонн. При значительном снижении температуры молекулы уже не имеют столько энергии, чтобы двигаться, разрушая и создавая связи. Поэтому поверхность льда становится шероховатой.

Лучшей температурой, обеспечивающей льду максимальное скольжение, считается -7 °C. Эта информация известна давно. Поэтому большинство катков в течение многих лет используют именно это значение для обеспечения лучшего скольжения по льду.

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.