Лёд оказался скользким не из-за тепла: новое объяснение перевернуло школьную физику

Лёд десятилетиями считался скользким из-за давления и тепла, возникающего при трении, но новые расчёты переворачивают это представление. Компьютерные симуляции показывают, что поверхность льда остаётся скользкой даже при экстремальном холоде, когда таяние невозможно. Ключ к этому эффекту оказался не в температуре, а в поведении самих молекул воды. Об этом сообщает научное издание со ссылкой на новое исследование физиков.

Почему старые объяснения больше не работают

Классическая версия из учебников утверждает, что лезвие конька или подошва ботинка создают давление, которое плавит тончайший слой льда. Другая теория объясняет скольжение фрикционным нагревом, возникающим при движении по поверхности.

Проблема в том, что при температурах ниже -40 градусов по Фаренгейту эксперименты фиксируют почти полное отсутствие нагрева. Давления тоже недостаточно, чтобы вызвать таяние. Тем не менее скольжение сохраняется, пусть и становится более "тяжёлым".

Эти несоответствия давно вызывали вопросы при изучении физики льда и его свойств, включая то, как лёд ведёт себя в экстремальных условиях, подобных тем, что рассматриваются в контексте использования льда вне Земли.

Диполи воды и скрытая причина скользкости

Работу возглавил профессор Саарского университета Мартин Мюсер, специалист по микроскопическому трению. Вместо тепла его команда сосредоточилась на электрических свойствах молекул воды.

Каждая молекула H₂O имеет диполь — крошечное разделение положительного и отрицательного зарядов. В кристалле льда эти диполи выстроены упорядоченно, формируя стабильную структуру. При контакте с другой поверхностью её собственные заряженные группы нарушают эту ориентацию, буквально "скручивая" молекулы на границе.

"Ранее считалось, что катание на лыжах при таких температурах невозможно", — отметил Мюсер, комментируя расхождение между экспериментами и классическими теориями.

Что показали компьютерные модели

Исследователи применили молекулярную динамику — метод, позволяющий отслеживать движение атомов и молекул шаг за шагом. В симуляциях блоки льда скользили друг относительно друга в диапазоне температур от примерно 10 кельвинов до почти точки плавления.

На границе контакта кристаллическая структура частично разрушалась. Вместо плавления происходила аморфизация: упорядоченный лёд переходил в неупорядоченное, почти жидкое состояние. По мере скольжения этот слой утолщался, обеспечивая смазку даже при сильном холоде.

При экстремально низких температурах полученная плёнка вела себя как очень вязкая жидкость. Это объясняет, почему движение по льду сохраняется, но становится медленным и "липким", как это ощущается при катании в сильный мороз.

Значение для спорта, дорог и техники

Новая модель показывает, что смазочный слой может существовать даже при -40 градусах по Фаренгейту. Однако он становится настолько вязким, что скорость заметно падает.

Эти выводы важны для проектирования коньков, лыж, зимней обуви и шин. Выбор материалов может либо усиливать сцепление, либо облегчать скольжение за счёт взаимодействия с аморфным слоем. На дорогах обработка льда работает, по сути, нарушая эту тонкую молекулярную перестройку, подобно тому как изменения структуры льда запускают сложные процессы в атмосфере и океане, включая реакции, связанные с морским льдом и химией воздуха.

Поверхности ведут себя по-разному

Модели показали, что материал, контактирующий со льдом, играет ключевую роль. Гладкие и гидрофобные поверхности, например некоторые полимеры, позволяют аморфному слою свободно скользить.

Поверхности, которые сильнее притягивают воду, наоборот, "захватывают" этот слой, увеличивая трение. В симуляциях слабовзаимодействующие, слегка изогнутые поверхности достигали коэффициента трения около 0,01 — уровня, сравнимого с полированным металлом по льду.