Общепринятое объяснение того, почему лед скользкий, оказалось ошибочным, а истинная причина кроется в сложном квантовом поведении молекул. Ученые из Германии доказали, что ни давление, ни трение не являются главными факторами этого явления, предложив новую революционную теорию.
Лед – одно из самых загадочных веществ на планете. Несмотря на его обыденность, он скрывает множество физических тайн: например, Американское химическое общество предполагает существование от 20 до почти 75 тысяч различных форм льда (кстати, 21-ю форму, лед XXI, открыли только в начале этого года). Однако новое исследование ставит под сомнение даже то, что мы знали об обычном льде, который мы видим зимой.
Обычная история
На протяжении веков в учебниках писали одно и то же: давление конька или подошвы на лед заставляет его таять, создавая тонкую пленку воды, которая и обеспечивает скольжение. Другая популярная версия обвиняла трение, которое якобы нагревает поверхность до образования влаги.
Однако эти теории имеют существенные пробелы. Как отметили ученые в статье для The Conversation, это не объясняет, почему лед остается скользким при температурах, намного ниже точки замерзания. Например, чтобы растопить лед при -20 °C, потребовалось бы давление, в 500 раз большее, чем создает обычный ковзан.
Команде исследователей из Саарландского университета в Германии удалось найти ответ, который переворачивает представления о физике поверхностей.
«До сих пор считалось, что катание на лыжах при температуре ниже -40 градусов по Цельсию невозможно, потому что это слишком холодно для образования жидкой смазочной пленки под лыжами. Оказалось, что это тоже неверно», – заявил Мартин Мюзер, один из авторов исследования.
Более глубокая физика
Результаты, опубликованные в авторитетном журнале Physical Review Letters, свидетельствуют о том, что ключевую роль играют молекулярные диполи. Диполи возникают, когда разные части молекулы имеют частичные положительные и отрицательные заряды.
В твердом состоянии молекулы воды выстраиваются в четкую кристаллическую решетку. Однако компьютерное моделирование показало, что когда посторонний объект (например, подошва ботинка) касается поверхности льда, его материал нарушает ориентацию диполей в верхнем слое льда.
«В трех измерениях эти диполь-дипольные взаимодействия становятся «разочарованными», – объясняет Мюзер.
Такой молекулярный беспорядок заставляет структуру льда разрушаться и переходить в жидкое состояние, создавая скользкую поверхность. Самое интересное, что этот эффект сохраняется даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Правда, в таких экстремальных условиях образовавшаяся пленка будет намного вязче меда, что вряд ли позволит комфортно кататься на коньках, но сам физический принцип остается неизменным.
Также рекомендуем прочитать:
Ученые обнаружили новый вид птерозавра в окаменелом рвотном массе хищника
