Физики установили, что на скользкость льда влияет не только тонкий слой жидкости, возникающий на поверхности, но и ряд других факторов: твердость льда, форма скользящего предмета и сила, с которой он давит на поверхность. Им удалось объяснить, почему при температурах, близких к температуре плавления, лед резко становится значительно менее скользким.
При отрицательных температурах вода замерзает и превращается в лед, по которому можно скользить. Это физическое явление кажется очень простым, но на самом деле физики еще с середины 19 века пытаются описать все факторы, влияющие на скользкость льда.
Скольжение предметов по льду объясняют появлением тонкого слоя воды под ними. Долгое время считалось, что давление на лед приводит к понижению его температуры плавления, и он начинает таять даже при отрицательных температурах. Но чтобы заставить лед таять хотя бы при минус пяти градусах, нужно приложить давление в 610 атмосфер. Это примерно эквивалентно тысяче слонов, поместившихся на катке площадью один квадратный метр. Поэтому позже физики стали связывать появление слоя воды не с давлением, а с нагреванием из-за трения предметов о лед.
Это объяснение подтвердили в 2019 году французские ученые. Они выяснили, что слой жидкости на льду действительно присутствует, его толщина составляет всего несколько сотен нанометров, и это не просто вода, а вязкая смесь воды с дробленым льдом.
Есть две температурных области, в которых лед ведет себя необычно и резко становится намного менее скользким: при охлаждении до −80 градусов Цельсия и при нагревании до температуры, близкой к температуре плавления, то есть при 0 градусов Цельсия. При этом при температуре от −10 до −5 градусов Цельсия он наоборот становится очень скользким.
Ученые провели серию экспериментов по скольжению с предметами разной формы: большими и маленькими сферами, лезвием, напоминающим лезвие конька. Температуру льда меняли в диапазоне от −120 до −1,5 градусов Цельсия. Чтобы сохранить лед гладким, ученые добавляли на него новый слой воды после каждого эксперимента. Помимо коэффициента трения, физики измерили твердость льда. При приближении к температуре плавления твердость резко снизилась.
По более мягкому льду предметы уже не просто скользили, а «врезались» в него, как плуг в пашню. Для сфер этот эффект проявился при −20 градусах, а для конька — при −8. Это показало, что на скользкость льда при высоких температурах влияет уже не поведение молекул жидкости в поверхностном слое, а целый ряд других факторов: твердость льда, форма скользящего предмета и сила, с которой он давит на поверхность.
В процессе «вспахивания» образуются мелкие осколки льда, которые тоже влияют на движение предмета. Особенно это заметно при движении туда-обратно на небольшом участке: для металлической сферы, которую катали по одной и той же площадке льда, коэффициент трения так и не стал постоянным со временем.
Другой интересный результат новых наблюдений — лед оставался скользким даже при скорости предмета один микрометр в секунду, хотя нагрев от трения при таком медленном движении становится почти незаметным. Кроме того, скорость не менялась при использовании материалов с разной теплопроводностью. Это демонстрирует, что коэффициент трения определяется не столько количеством теплоты и, соответственно, плавлением льда, сколько формой предмета и другими условиями.
Скользкий слой на поверхности льда оказался непохож на воду.
Физики изучили механические свойства пограничного слоя на поверхности льда — они оказались сильно отличающимися от соответствующих параметров воды в объеме. В частности, толщина этого слоя оказалась гораздо меньше теоретически ожидаемой, а вязкость примерно на два порядка больше, чем у чистой воды.
Французские физики под руководством Лидерик Боке из Высшей нормальной школы в Париже описали эксперименты с новым трибометром (прибор для измерения трения скольжения), что впервые позволило измерить свойства именно самого жидкого слоя на поверхности льда. В результате ученым удалось доказать наличие этого слоя, само существование которого ставилось под сомнение, а также измерить его толщину и вязкоупругие свойства.
Измеренная вязкость слоя оказалась на уровне сотен миллипаскаль-секунд, что примерно в сто раз больше, чем у обычной воды, и соответствует типичным значениям масел. Толщина слоя оказалась на уровне долей микрометра, что значительно меньше большинства теоретических оценок. Также физикам удалось показать, что для воды в пограничном слое свойственна псевдопластичность, то есть уменьшение вязкости при увеличении сдвиговых напряжений, что обычно характерно для неньютоновских жидкостей, таких как насыщенные растворы полимеров.
Исследователи заключают, что данные экспериментов можно интерпретировать как отсутствие полного плавления воды в пограничном слое. Полученные результаты лучше объясняются в предположении, что на поверхности образуется смесь дробленого льда и воды. В дополнительных опытах с гидрофобным зондом трение еще сильнее уменьшилось, что объясняет лучшее скольжение лыж, смазанных водоотталкивающими веществами.
Самый лучший способ поддержать канал и автора, это поставить лайк под этой статьёй и подписаться. Заранее спасибо!)
