Почему лед скользкий?
Отвечает Нелли Елагина
инженер-исследователь отдела гляциологии Института географии РАН
Лед считается единственным скользким материалом в природе. Удивительно, но ученые до сих пор точно не знают, почему лед скользкий. Большинство сошлись на том, что все дело в присутствии тонкого жидкого слоя воды на его поверхности. А причин этому три: давление, трение и наличие свободных связей молекул.
Долгое время считалось, что, если надавить на лед, он расплавится, так как вода обладает интересным свойством: в твердой фазе она менее плотная, чем в жидкой. Например, при катании на коньках осуществляется давление на лед, температура его плавления понижается, часть льда превращается в воду — и вы скользите. Когда проехали, вода снова замерзает.
При этом чем больше давление, тем ниже будет температура плавления льда. Однако тех долей градусов было бы недостаточно для очень холодной погоды, когда коньки скользят так же легко. Да и если считать, что лезвия коньков оказывают на лед более сильное давление из-за небольшой площади соприкосновения, почему же мы скользим в обычных ботинках? Возможно, причина в том, что трение нагревает поверхность льда, благодаря чему и появляется слой воды. Но тогда возникает другой вопрос: почему, когда мы стоим на льду без движения, все равно скользко? Значит, этого объяснения мало.
В 1850 году английский химик и физик Майкл Фарадей догадался прислонить друг к другу два кубика льда. Они смерзлись. Так экспериментатор понял, что поверхность льда остается твердой без жидкой прослойки, когда не соприкасается с воздухом.
Современные ученые пошли дальше и предположили, что во внутренних слоях льда молекулы менее подвижны за счет разрыва на поверхности водородных связей. Следовательно, у поверхностных молекул хватает энергии для того, чтобы поддерживать наличие тонкого слоя воды даже при температурах ниже 0 °C.
В 2018 году ученые из Нидерландов изучили скольжение стального шарика по льду при разных температурах. И пришли к выводу, что очень низкое трение наблюдается только в ограниченном диапазоне, типичном для катания на коньках. Температуры около -100 °C приводят к замедлению диффузии молекул, и лед перестает быть скользким. А с повышением температуры количество молекул, свободных от водородных связей, растет, что делает лед более скользким. Эти выводы были опубликованы в журнале Journal of Physical Chemistry Letters.
Не зря конькобежный спорт считается одним из старейших видов спорта. Первые официально зафиксированные соревнования по нему прошли в Великобритании в январе 1763 года. Интересно, что в теории кататься на коньках можно и на тефлоне. Энергия, необходимая для проскальзывания между кристаллическими тефлоновыми пластинками, мала. Износ будет высоким, но и трение — низким.