Для тех, кто живет в холодном климате, скользкий лед определяет зиму: на катках, на замерзших прудах и на опасно скользких дорогах и тротуарах.
Но почему лед такой скользкий?
Оказывается, ученые до недавнего времени не знали ответа на этот простой вопрос. Но новое исследование показало, что скользкость льда может быть связана с «лишними» молекулами на поверхности льда. [ Таинственная физика 7 повседневных вещей ]
Старые теории не имеют смысла
Поскольку лед менее плотный, чем жидкая вода, его температура плавления понижается при высоких давлениях. Давняя теория гласит, что именно из-за этого лед становится скользким: когда вы наступаете на него, давление вашего веса заставляет верхний слой таять в воде.
«Я думаю, что все согласны с тем, что этого не может быть», - заявил в прямом эфире Live Science Миша Бонн, директор отдела молекулярной спектроскопии Института исследований полимеров Макса Планка в Германии. «Давление должно быть настолько сильным, что вы даже не сможете достичь этого, поставив слона на высокие каблуки».
Другая теория гласит, что тепло, создаваемое трением при движении по льду, создает слой воды. Однако, когда вы движетесь, лед не только скользкий, так как любой, кто пытается впервые встать на коньки, быстро обнаруживает.
Даже если давление или трение растопят лед, может ли слой воды объяснить скользкость? Даниэль Бонн, физик из Амстердамского университета в Нидерландах, так не считает.
«Теория водного слоя не имеет большого смысла», - сказала Бонн в интервью Live Science. «Если вы пролите немного воды на кухонный пол, оно станет скользким, но не очень скользким ... Просто слой воды не сделает этого».
Свободные молекулы
Миша и Даниэль Бонн, братья, опубликовали статью 9 мая в Журнале химической физики с описанием поверхности льда. Они обнаружили, что вместо слоя жидкой воды на поверхности льда были свободные молекулы воды. Миша Бонн сравнил это с танцполом, «заполненным мрамором или шарикоподшипниками». Скольжение по поверхности льда просто «катится» по этим молекулярным шарикам.
Лед имеет очень правильную, аккуратную кристаллическую структуру , где каждая молекула воды в кристалле связана с тремя другими. Однако молекулы на поверхности могут быть прикреплены только к двум другим. Будучи настолько слабо связанным с кристаллом, эти поверхностные молекулы могут падать и прикрепляться и отсоединяться от различных участков кристалла по мере их движения.
Несмотря на то, что скольжение по льду вызвано, по существу, переворачиванием этих молекул воды, этот слой молекул не является слоем жидкой воды. Эти молекулы и скользкость существуют при температуре намного ниже точки замерзания воды. На самом деле, то, как эти молекулы движутся так свободно и диффундируют по поверхности, на самом деле делает их больше похожими на газ, сказал Даниэль Бонн.
«Для меня это газ - двумерный газ, а не трехмерная жидкость», - сказал он в интервью журналу Live Science.
Но если лед скользкий из-за рыхлых поверхностных молекул, является ли лед уникально скользким? Не совсем, сказал Мартин Трюффер, профессор физики в университете Аляски Фэрбенкс. По его словам, не столько уникальна природа льда, сколько наше отношение к нему.
«Что необычно в льде, мы обычно сталкиваемся с ним так близко к точке плавления», - сказал Трюффер в интервью Live Science. «Это действительно единственный материал, где у нас есть газовая фаза, жидкая фаза и твердая фаза в пределах нормального климатического диапазона, в котором мы живем».
Трюффер, который живет в Фэрбенксе, Аляска, испытал лед очень далеко от точки плавления: когда он достигает минус 40 градусов по Фаренгейту (минус 40 градусов по Цельсию), он сказал, что снег «становится как наждачная бумага». Наблюдение Трюффера совпадает с тем, что нашли Бонны. При сверхнизких температурах молекулы на поверхности не имеют столько энергии, чтобы разрушать и создавать связи, когда они вращаются, поэтому лед становится нескользким.
Температура для максимальной скользкости, согласно их данным исследования, составляет около 19 градусов по Фаренгейту (минус 7 градусов по Цельсию).
Но некоторые люди уже знали это; это температура, которую большинство крытых катков использовали в течение многих лет.