Физики выяснили настоящую причину скользкости льда

Скользкость льда долго оставалась одной из классических загадок физики. Майкл Фарадей еще в XIX веке предположил, что на поверхности льда самопроизвольно образуется тонкая жидкая пленка — так называемый слой предплавления, который и облегчает скольжение. Затем возникла другая гипотеза: давление от коньков или других предметов может понижать температуру плавления льда, вызывая локальное таяние.

В XX веке физики Фрэнк Боуден и Томас Хьюз предложили третье объяснение — нагрев из-за трения. Согласно этой идее, само движение по льду генерирует тепло, которое плавит тонкий поверхностный слой и образует смазку из воды. Однако, несмотря на десятилетия исследований, единого объяснения не существовало: разные эксперименты и компьютерные модели указывали на разные механизмы.

Авторы новой работы, представленной на сервере препринтов Корнеллского университета, попробовали объединить все сценарии с помощью многоуровневого моделирования — метода изучения сложных систем, объединяющего модели разных масштабов или уровней детализации. Сначала смоделировали трение между льдом и стеклом на уровне отдельных атомов и молекул воды. Подход позволил выявить зависимость силы трения от температуры и скорости скольжения в микроскопических контактных областях.

Этих симуляций, однако, оказалось недостаточно. Дело в том, что они давали неправильную зависимость трения от скорости: в модели трение росло при ускорении движения, тогда как реальные эксперименты показывали обратное. 

Чтобы устранить это противоречие, в расчеты добавили эффект выделения тепла. Когда объект движется по льду, контакт происходит не по всей поверхности, а лишь в небольших микронеровностях. Именно в этих точках возникает интенсивное трение, выделяющее тепло. В частности, при скорости всего около 0,1 метра в секунду температура в области контакта может резко возрасти и приблизиться к точке плавления льда.

Повышение температуры также приводит к усиленному образованию жидкоподобного слоя воды на поверхности. При этом толщина пленки увеличивается, а ее вязкость уменьшается, резко снижая сопротивление движению. В результате на макроскопическом уровне трение падает, что и происходит в реальных экспериментах со льдом.

Сравнение полученных данных с лабораторными измерениями трения и даже данных о движении камней в керлинге показало, что расчеты хорошо воспроизводят наблюдаемое «поведение». Таким образом, физики наконец показали, что скользкость льда возникает из сочетания нескольких процессов, однако решающую роль играет именно нагрев от трения.

Более того, поверхностный слой воды и структурные изменения льда могут участвовать в формировании пленки, но без теплового эффекта не могут объяснить зависимость трения от скорости. Открытие помогает примирить разные теории и предлагает более целостную картину одного из самых известных и спорных физических явлений в повседневной жизни.

Любовь С.

473 статей

Автор освещает темы из разных областей науки, включая астрономию, палеонтологию и генетику. Пишет о научных открытиях, природных явлениях и эволюционных процессах.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram