Мы с детства слышим: лёд скользкий, потому что под действием давления или трения образуется тонкая водяная плёнка. Такое объяснение знакомо каждому школьнику и воспроизводится в учебниках физики. Но новое исследование из Саарского университета показало: истина намного сложнее, а старое объяснение — не совсем верное.
Группа учёных во главе с Мартином Мюзером доказала, что ключевую роль играют молекулярные диполи. Эти диполи возникают, когда в молекуле есть области с положительным и отрицательным зарядом, и вся молекула становится полярной.
Именно взаимодействие диполей на поверхности обуви или лыж с диполями во льду приводит к разрушению упорядоченной кристаллической структуры. В результате на поверхности образуется тонкая жидкая плёнка, и лёд становится скользким.
"Ни давление, ни трение не играют решающей роли", — отметил профессор Мюзер.
При температуре ниже нуля молекулы воды выстраиваются в кристаллическую решётку. Эта структура устойчива, но не абсолютно: достаточно внешнего воздействия, чтобы она нарушилась. Когда кристаллы льда сталкиваются с материалом, имеющим собственные диполи, возникает "фрустрация" — состояние, при котором силы мешают системе оставаться стабильной.
"Диполь-дипольные взаимодействия делают структуру неустойчивой", — поясняют исследователи.
Так упорядоченные молекулы превращаются в хаотичные, и на границе образуется жидкая прослойка, обеспечивающая скольжение.
До сих пор считалось, что кататься на лыжах при -40 °C невозможно, ведь плёнка воды не образуется. Но результаты моделирования показали: жидкость формируется и при экстремальном морозе.
"Жидкая плёнка сохраняется даже при экстремальном холоде", — добавил Мюзер.
Разница лишь в том, что при низких температурах она становится густой и вязкой, напоминающей мёд. Формально вода там есть, но кататься по такой поверхности практически невозможно.
Для человека, поскользнувшегося на льду, разница между трением, давлением и диполями мало важна. Но для физики это открытие меняет представления, которые считались верными почти два века.
Кроме того, новые знания могут пригодиться в прикладных областях:
создание зимней обуви с антискользящими материалами,
разработка лыж и коньков с заданными свойствами,
моделирование льда для климатических и инженерных исследований.
Миф: катание при сильном морозе невозможно.
Правда: плёнка образуется даже при -40 °C.
Миф: трение вызывает таяние льда.
Правда: главный фактор — дипольные взаимодействия.
Почему лёд скользкий?
Потому что диполи в материале обуви или лыж нарушают кристаллическую решётку.
Можно ли кататься на лыжах при -40 °C?
Да, но плёнка слишком вязкая, и движение становится крайне затруднительным.
Чем это открытие важно для физики?
Оно меняет базовое понимание процессов и может повлиять на технологии в спорте и промышленности.
Ещё в XIX веке Джеймс Томпсон, брат лорда Кельвина, предположил: лёд тает под давлением. Его гипотеза легла в основу учебников на долгие десятилетия. Новое исследование впервые показало, что эта модель объясняет лишь часть картины.
Что будет, если создать материалы, которые минимизируют дипольное взаимодействие с льдом? Возможно, это позволит делать безопасную обувь для зимы. А наоборот — усиливая взаимодействие, можно создавать спортивный инвентарь с лучшим скольжением.