Завдання про крижані бурульки.

Що крига слизька, знають усі, а от чому лід слизький- не кожен зможе пояснити.

Тертя між льодом і сталлю коника породжує тепло

Лід плавиться під тиском

Один англійський вчений стверджував, що лідслизьок тому, що він має чудову здатність плавитися під тиском- танути.

Ковзаняр важкий, а слизька поверхня ковзана мала,

Говорив цей учений. -

Від сильного тиску крига злегка плавиться, підтає. Між ковзною поверхнею ковзана та льодом утворюється найтонша плівка води. Ця вода служить природним мастилом і робить лід слизьким.

Таке пояснення протягом багато часу вважалося загальновизнаним і правильним. Так було надруковано у старих підручниках та у популярних книгах. Але це пояснення виявилося не зовсім вірним. Між поверхнею льоду та ковзаном дійсно утворюється плівка води, але отримати її одним тільки тиском не можна, навіть якщо на ковзани поставити слона.

Тертя веде до виділення теплоти

Помилку роз'яснив радянський вчений В. Б. Вейнберг. На ковзанах катаються не тільки дорослі та товсті люди, які мають солідну вагу. Це улюблена розвага малюків. Вони чудово ковзають на ковзанах, хоча тиск на лід, який вони надають, зовсім невеликий. Якби лід під ковзаном справді плавився від тиску, то кататися на ковзанці можна було б лише за температури не понад один градус морозу.

Від цього тепла і плавиться лід, а водяна плівка, що при цьому утворилася, створює мастило і полегшує рух ковзаняра. Під час дуже сильних морозів теплоти, що розвивається від тертя, виявляється недостатньо, щоб розплавити лід під ковзаном. Тоді кататися на ковзанці неприємно – спортсмени кажуть, що лід «сухий».

На гладко натертій підлозі легше послизнутися, ніж на звичайному. Здавалося б, те саме має відбуватися на льоду, тобто гладкий лід повинен бути більш слизький, ніж лід горбистий, шорсткий.

Але якщо вам траплялося везти навантажені ручні санки через нерівну, горбисту крижану поверхню, ви могли переконатися, що всупереч очікуванням сани прослизали по такій поверхні помітно легше, ніж по гладкій. Шорсткий лід слизькіший, ніж дзеркально гладкий!

Це тим, що слизькість льоду залежить переважно від гладкості, як від зовсім особливої ​​причини: від цього, що температура плавлення льоду знижується зі збільшенням тиску.

Розберемо, що відбувається, коли ми катаємось у санях чи на ковзанах. Стоячи на ковзанах, ми спираємося на дуже маленьку площу, всього кілька квадратних міліметрів. І на цю невелику площу цілком давить вага нашого тіла. Якщо ви згадаєте сказане в розділі другий про тиск, то зрозумієте, що ковзанярець тисне на лід зі значною силою. Під великим тиском крига тане при зниженій температурі; якщо, наприклад, лід має температуру - 5°, а тиск ковзанів знизило точку плавлення льоду, що зневажається ковзанами, більш ніж на 5°, то ці частини льоду тануть [Теоретично можна обчислити, що для зниження точки танення льоду на 1° потрібно дуже значний тиск 130 кг на квадратний сантиметр. Чи роблять сани чи ковзаняр такий величезний тиск на лід? Якщо розподілити вагу саней (або ковзаняра) на поверхню полозів (або ковзанів), то вийдуть числа набагато менші. Це доводить, що до льоду прилягає впритул далеко не вся поверхня полоза, а лише незначна частина її. Що ж виходить?

Тепер між полозами ковзанів і льодом знаходиться тонкий шар води, - не дивно, що ковзаня ковзає. І як тільки він перемістить ноги в інше місце, там станеться те саме. Усюди під ногами ковзаняра крига перетворюється на тонкий шар води. Такими властивостями з усіх існуючих тіл має лише лід; один радянський фізик назвав його "єдиним слизьким тілом у природі". Інші тіла гладкі, але не слизькі.

[При теоретичному розрахунку передбачається, що з плавленні і лід, і вода перебувають під однаковим тиском. Автор описує приклади, коли вода, що утворюється при плавленні, знаходиться при атмосферному тиску. У цьому випадку потрібно менше тиску для зниження точки танення льоду. - Прим. ред ]

Тепер ми можемо повернутися до питання про те, гладкий або шорсткий лід слизькіший. Ми знаємо, що той самий вантаж тисне тим сильніше, чим на меншу площу він спирається. В якому ж випадку людина чинить на опору більший тиск: коли вона стоїть на дзеркально гладкому чи шорсткому льоду? Зрозуміло, що у другому випадку: адже тут він спирається лише на деякі виступи та горбики шорсткої поверхні. А чим більший тиск на лід, тим рясніший плавлення і, отже, лід тим більше слизький (якщо тільки полоз досить широкий; для вузького полозу ковзанів, що врізається в горбики, це непридатно - енергія руху витрачається тут на зрізування горбків).

Зниженням точки танення льоду під значним тиском пояснюється і багато інших явищ повсякденного життя. Завдяки цій особливості льоду окремі шматки його змерзають разом, якщо їх сильно здавлювати. Хлопчик, стискаючи в руках груди снігу при грі в сніжки, несвідомо користується саме цією властивістю крижаних крупинок (сніжинок) змерзнутися під посиленим тиском, що знижує температуру їхнього танення. Катаючи сніговий ком для "снігової баби", ми знову-таки користуємося зазначеною особливістю льоду: сніжинки в місцях зіткнення, в нижній частині кома, змерзаються під вагою маси, що натискає на них. Ви розумієте тепер, звичайно, чому в сильні морози сніг утворює сніжки, що розсипаються, а "баба" погано ліпиться. Під тиском ніг перехожих сніг на тротуарах поступово ущільнюється в кригу: сніжинки змерзають у суцільний пласт.

Завдання про крижані бурульки

Чи траплялося вам замислюватися над тим, як утворюються крижані бурульки, які ми часто бачимо, що звисають з дахів?
В яку погоду утворилися бурульки: у відлигу чи мороз? Біли у відлигу, то як могла замерзнути вода при температурі вище за нуль? Якщо в мороз, то звідки могла взятися вода на даху?
Ви бачите, що завдання не таке просте, як здається спочатку. Щоб могли утворитися крижані бурульки, потрібно одночасно мати дві температури: для танення - вище нуля і для замерзання - нижче нуля.

Насправді так і є: сніг на схилі даху тане, тому що сонячні промені нагрівають його до температури вище нуля, а краплі води, що стікають, біля краю даху замерзають, тому що тут температура нижче нуля. (Звичайно, ми говоримо не про той випадок утворення бурульок, який обумовлений теплом опалюваного під дахом приміщення.)

Мал. 87. Промені Сонця гріють похилий дах сильніше, ніж горизонтальна земна поверхня
(Числа вказують величину кутів).

Уявіть таку картину. Ясний день; мороз всього 1 - 2 градуси. Сонце заливає все своїми променями; однак ці косі промені не нагрівають землю настільки, щоб сніг міг танути. Але на схил даху, звернений до Сонця, промені падають не порожнього, як на землю, а крутіше, під кутом, ближчим до прямого. Відомо, що освітлення та нагрівання променями тим більше, чим більший кут становлять промені з площиною, на яку вони падають. (Дія променів пропорційна синусу цього кута; для випадку, зображеного на рис. 87, сніг на даху отримує тепла в 2,5 рази більше, ніж рівна площа снігу на горизонтальній поверхні, тому що синус 60 ° більше синуса 20 ° в 2,5 раза.) Ось чому скат даху нагрівається сильніше і сніг на ньому може танути. Відтала вода стікає і краплями звисає з краю даху. Але під дахом температура нижче нуля, і крапля, що охолоджується ще й випаровуванням, замерзає. На замерзлу краплю натікає така, що також замерзає; потім третя крапля, і т. д.; поступово утворюється маленький крижаний горбок. Іншого разу за такої ж погоди ці крижані напливи ще подовжуються, і в результаті утворюються бурульки, що виростають на зразок вапняних сталактитів у підземних печерах. Так виникають бурульки на дахах сараїв та взагалі неопалюваних приміщень.

Та ж причина викликає на наших очах і більш грандіозні явища: адже відмінність у кліматичних поясах і порах року зумовлена ​​значною мірою. зігріває Землю. Обидві причини, втім, обумовлені одним астрономічним фактом: нахилом земної осі до площини обертання Землі навколо Сонця] зміною кута падіння сонячних променів. Сонце від нас взимку майже на такій же відстані, як і влітку; воно однаково віддалено від полюсів та екватора (відмінності у відстані настільки мізерні, що не мають значення). Але нахил сонячних променів до Землі біля екватора більше, ніж в полюсів; влітку цей кут більше, ніж узимку. Це викликає помітні відмінності у температурі дня і, отже, у житті всієї природи.

2015-03-14
Сам по собі, лід не слизький. Те, що на ньому можна послизнутися, викликане тонким шаром води на його поверхні. Ця вода є рідиною з низькою в'язкістю, в якій немає постійних міжмолекулярних зв'язків. Також це означає, що молекули води можуть вільно переміщатися та легко заповнювати будь-які мікроскопічні отвори або тріщини.

Але звідки вода з'являється спочатку. Найперша теорія вважала, що причина зміни тиску. В 1886 інженер John Joly припустив, що вага людини при катанні на льоду, створює достатній тиск, здатне знизити температуру плавлення льоду, тим самим змушуючи розплавляти верхній шар льоду під ковзанами.

Але це пояснення не витримало перевірку часом. Незалежно від того, який тиск ви чините на лід, ви не можете знизити точку плавлення води нижче -22 градусів за Цельсієм, крім того при підвищенні тиску температура плавлення навпаки підвищується.

У 1939 році Франк С. Боуден та Т.П. Хьюз припустили, що тертя об'єктів, що ковзають по льоду, нагріває його достатньо, для плавлення. Однак дослідження показали, що цього нагріву мало за дуже низьких температур. Крім того, фрикційне нагрівання не може пояснити, чому слизько, якщо об'єкт знаходиться нерухомо. Тобто це також не основний фактор впливу.

Навіть якщо поєднати обидві ці теорії, все одно пояснення явищу не знайшлося так, що дослідження продовжилися. Наступний ефект, який був виявлений, лід утворює тонкий шар рідини на поверхні, навіть при температурі нижче точки замерзання, і навіть без контакту з будь-яким предметом аж до -157 градусів за Цельсієм де цей шар має товщину в одну молекулу. При нагріванні кількість шарів зростає. Таким чином, утворення води на поверхні властивість льоду саме по собі, а не наслідок взаємодії з чимось.

Найактуальніша теорія була опублікована в оглядовій статті 2005 року в Physics Today Робертом Розенбергом. У ній він стверджує, що періодична структура на поверхні руйнується, а молекулярні шари стають аморфнішими, через скорочення числа хімічних зв'язків, що утримують молекули. Тобто атоми у зовнішній поверхні коливаються з більшою амплітудою, залежно від температури ніж атоми в глибині.

Як і в будь-якому цікавому явищі існує вплив кількох параметрів, так що найімовірніше відповідь на цю загадку ще попереду.

Перша відповідь, що приходить на думку, тому що вона гладка. І справді, відсутність пошкоджень і шорсткостей зменшує тертя між поверхнями. Однак саме лід, а не більш економічне синтетичне покриття досі використовують для катання на ковзанах.

Значно знижує тертя мастила між поверхнями. У машинобудуванні це – індустріальні олії, у кулінарії – рослинні та тваринні жири, а в катанні на льоду – вода. Однак температура замерзання води відома кожному - це 00С, а кататися на ковзанах можна і -100С, і -200С. Здавалося б, воді взятися нема звідки.

Іноді поява тонкої плівки води на крижаній поверхні пояснюється чималим тиском полозів на лід. Справді, під ковзанами дорослої людини масою близько 70 кг створюється тиск, що в 15 разів перевищує атмосферний. Однак навіть таке зусилля здатне розплавити кригу лише за температури -0,10С.


Ще одна поширена версія пояснює появу води на поверхні катка дією сили тертя під час руху полозів по льоду. Але ця теорія замовчує, чому ми ковзаємо навіть тоді, коли намагаємося встояти на місці. Тертя у такі моменти не виникає, а шар води, проте, є.

Раціональне пояснення було отримано лише наприкінці 90-х років ХХ століття за допомогою AFM-мікроскопії (мікроскопії рельєфу поверхонь). Вчені з'ясували, що швидкість коливання молекул льоду, що знаходяться на поверхні, у 100 000 разів більша за швидкість коливань у внутрішніх шарах. Це призводить до того, що поверхня льоду вже не має чіткої кристалічної структури і за будовою нагадує рідину, ніж тверде тіло.


Виходить, що навіть при дуже низьких температурах на поверхні льоду є найтонша водяна плівка, що робить його слизьким. Але чим нижча температура довкілля, тим гірше ковзання, адже шар води стає дедалі тоншим і тоншим.

Так, при 50С товщина водяної плівки - близько 100 нанометрів (тобто одна десятитисячна міліметра), при -350С - близько 10 нм, а при -1700С утворюється шар води завтовшки всього одну молекулу. Ковзати на ковзанах у цих умовах було б досить проблематично.