Новое исследование меняет представления, которые были сформулированы еще в XIX веке, когда физик Джеймс Томсон дал свое объяснение. С тех пор никто всерьез не пытался эту теорию проверить. «Оказывается, ни давление, ни трение не играют особенно значительной роли в формировании тонкого жидкого слоя на льду», — говорит соавтор работы профессор Мартин Мюзер.
Почему лед скользкий? Ученые 200 лет ошибались, отвечая на этот вопрос
Исследователи из Саарландского университета опровергли 200-летнее объяснение скольжения по льду. Оказалось, что лед становится скользким не из-за давления или трения, а из-за взаимодействия молекулярных диполей в материале и во льду.
«Гололед, такая гадость, неизбежная зимой. "Поднимайся, моя радость", — говорю себе самой» (Вероника Долина). https://emrochandkilduff.com/
Каждую зиму миллионы людей сталкиваются с опасностью поскользнуться на обледенелых тротуарах. До сих пор ученые объясняли это явление просто: давление и трение от обуви или лыж растапливают тонкий слой льда, вода становится смазкой и делает поверхность скользкой. Эта теория казалась достаточно убедительной. Но новое исследование показывает иную картину.
В том, что мы падаем на льду, виноваты диполи
Коньки
Диполь образуется, когда молекула имеет частичную поляризацию зарядов. Молекулы воды естественным образом обладают такой полярностью. Во льду они выстраиваются в кристаллическую решетку. Когда кто-то ступает на лед, не сила веса, а ориентация диполей в подошве обуви нарушает упорядоченную структуру молекул льда. То есть взрослый и ребенок скользят по льду одинаково, если у них одинаковая структура обуви.
В трехмерном пространстве эти диполь-дипольные взаимодействия (подошва-лед) «смазываются». Результатом становится разрушение упорядоченной решетки льда. Она превращается в аморфную пленку. Этот процесс и объясняет, почему лед становится скользким.
Лыжи
Новая теория также опровергает давние представления о плавлении под давлением и из-за нагрева, возникающего при трении. Десятилетиями ученые спорили, скользят ли лыжники потому, что давление понижает точку плавления, или из-за того, что тепло от трения создает тонкую водяную пленку.
Но моделирование показывает, что лед может разжижаться без значительного нагрева или давления. Вместо этого происходит его переход из твердого в аморфное состояние, вызванное смещением диполей. Кристаллическая поверхность становится неупорядоченной исключительно из-за скользящего движения.
Снимки границы раздела при ? =10 K (a) до начала скольжения и (d) после скольжения на расстояние ? =20 нм со скоростью ?0 =1 м/с. Цветами обозначена потенциальная энергия на молекулу. (b) Масштабы границы раздела до и во время начального скольжения. (c) Величина электростатического поля в элементарной ячейке, расположенной на одно межслоевое расстояние над свободной поверхностью идеальной кристаллической структуры. Включены позиции атомов верхнего слоя. (e) Отрицательное изменение общей высоты системы, -Δℎ, как функция ?. Полные линии отражают начальный гармонический отклик в зависимости от ? и аморфизацию, вызванную сдвигом, через зависимость √?-?0, где ?0 — расстояние скольжения в момент начала пластичности
Исследование также опровергает еще одно устоявшееся убеждение. «До сих пор предполагалось, что катание на лыжах при температуре ниже -40°C невозможно, потому что слишком холодно для формирования тонкой смазывающей жидкой пленки под лыжами. Это тоже, как оказалось, неверно», — говорит Мюзер. Дипольные взаимодействия сохраняются при экстремально низких температурах, и жидкая пленка все равно формируется на границе между льдом и лыжей даже вблизи абсолютного нуля.
Исследование подчеркивает, что степень скольжения по льду зависит не только от молекулярных диполей, но и от свойств поверхности. Это означает, что материал лыж, коньков или обуви играет важную роль в том, насколько скользким будет лед.