Блог для пенсіонерів Чому лід такий слизький?
Блог про Бога та світ
Субота, 17 лютого 2018 року
Чому лід такий слизький?
На поточних зимових Олімпійських іграх дехто може замислитися, чому ковзани та лижі так добре ковзають. І відповідь видається очевидною: так само, як масло зменшує тертя автомобільної коробки передач, тонкий шар води на поверхні льоду сприяє ковзанню лиж та ковзанів. Ця відповідь в принципі правильна, але веде до наступного питання:
Звідки береться цей шар води, що дозволяє ковзати?
Плавлення під тиском Відповідь на це питання пропонується і сьогодні в деяких підручниках фізики середньої школи - але це неправильно. Там вони іноді стверджують: оскільки вага фігуриста передається на лід лише через дуже вузькі бігуни, тиск на лід настільки високий, що він тане локально. Це утворює тонку плівку води, по якій бігуни (або лижі або сани) можуть легко ковзати. Ці Плавлення під тиском також відомий з льодовиків, які власною вагою створюють мазок талої води на скелі внизу, на якій вони сповзають вниз у долину.
Те, що працює з льодовиками, не обов’язково стосується катання на ковзанах. В університеті на початкових лекціях з фізики дізнаються, що використовують рівняння Клавзій-Чапейрон слід застосовувати. Він встановлює зв'язок між тиском на лід і зменшенням температури плавлення. Відповідно до цього, фігурист вагою 75 кілограмів і чиї ковзани леза мають площу контакту 6 квадратних сантиметрів створює на лід тиск 12 бар. За словами Клаузіуса-Чапейрона, це зменшило б температуру плавлення торкнутого льоду трохи менше, ніж на десяту градус. Однак цього набагато замало, щоб створити шар води, тому що катання на ковзанах більше не буде можливим при температурі льоду на кілька градусів морозу. (Навіть кінь на бігунах не ковзав би). До речі, хтось уже був би з тиском, що плавиться Стійте на місці через короткий час у калюжі води, як показав досвід, це не так.
Плавлення тертям Сьогодні ми знаємо, що Тепло тертя вносить істотний внесок у формування водного шару. Лопатки ковзанів або санок генерують тепло тертя на льоду, тануть поверхню льоду і тим самим генерують тонку плівку води. Експерименти насправді показали, що тертя на межі занесення/льоду призводить до танення льоду. Типовий фігурист використовує тертя тертя, щоб зріджувати до 12 кубічних міліметрів льоду вздовж бігуна, створюючи водяну плівку товщиною 0,04 міліметра. Імовірно, ця плівка ще тонша через короткий час, оскільки тала вода виштовхується вбік через вагу фігуриста і, отже, не сприяє ковзанню.
Однак тиск і тертя не можуть бути єдиним поясненням слизького льоду. Має бути третій внесок. Ви помічаєте це, коли сідаєте на штани, коли вперше наступаєте на поверхню льоду: масляний шар на льоду, здається, не залежить від ваги, температури та руху. Оскільки лід - навіть без зовнішніх впливів, таких як бігуни та лижі, - тонкий, рідкий Фільм перевитрачений. Не слід думати про неї як про калюжу, а скоріше про шар води, товщина якого становить лише кілька молекулярних шарів.
Щоб пояснити це, слід сказати наступне: хоча молекули води всередині льоду регулярно розташовуються і закріплюються одна проти одної, вони втрачають зчеплення на поверхні (тобто в «повітрі»). Вони розташовані на сітці крижаного кришталю внизу - але вони рухливі. Таким чином, ця водна плівка є фазою з невпорядкованими, легко переміщуваними молекулами. Це надає льоду слизькості. Лише за останні кілька років фізики досліджували цей шар за допомогою складного обладнання (рентгенівський дифрактометр, джерела синхротронного випромінювання тощо). Її лише кілька Нанометр (нм) товстий, де 1 нм відповідає мільйонній частці міліметра. Однак при мінус 38 градусах цей поверхневий шар втрачає свою рухливість і, таким чином, стримує катання на ковзанах.
На щастя, у Пхенчхані лише мінус 20 градусів.
Тому прогноз застосовується: Лижі та сани хороші!