Почему лёд такой скользкий: учёные опровергли теорию из школьных учебников

Зимой гололедица остается одной из самых опасных и неприятных проблем для пешеходов. Несмотря на то что большинство людей хотя бы раз падали на скользком тротуаре, физическая природа этого явления долгое время оставалась предметом споров.

Как сообщает портал earth.com, десятилетиями в школьных учебниках доминировало объяснение, которое так и не было убедительно подтверждено экспериментально. Теперь новое исследование предлагает альтернативную, более правдоподобную версию.

Работа под руководством профессора Саарландского университета в Германии Мартина Мюзера, опубликованная в журнале Physical Review Letters, опровергает распространенную теорию о том, что лед становится скользким из-за таяния его верхнего слоя при контакте с обувью или коньками.

Классическая теория под сомнением

Традиционное объяснение утверждало, что давление и трение от подошвы или лезвия конька вызывают плавление сверхтонкого слоя льда, образуя водяную пленку, по которой легко скользить. Однако эксперименты показали, что при очень низких температурах поверхность льда практически не нагревается даже при интенсивном скольжении, а значит, такое «таяние» маловероятно.

Новая версия: дело в молекулах

В новом исследовании ученые сосредоточились на диполях — микроскопическом распределении положительных и отрицательных зарядов в молекулах воды. В замерзшем состоянии эти диполи выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решетку, придавая поверхности льда определенную электрическую ориентацию.

Когда лед соприкасается с коньком или подошвой обуви, заряженные участки материалов взаимодействуют с молекулами воды и нарушают их ориентацию. С помощью компьютерного моделирования исследователи проследили движение атомов и молекул на поверхности льда в момент контакта.

Симуляции показали, что верхний слой кристаллической структуры разрушается и превращается в неупорядоченную массу ледяных фрагментов, по своим свойствам напоминающую жидкость. Этот процесс, называемый аморфизацией, происходит без реального плавления и может возникать даже при экстремально низких температурах.

По мере скольжения зоны нарушенной структуры распространяются вдоль поверхности контакта, формируя устойчивую скользкую прослойку.

Почему одни поверхности скользят сильнее других

Исследование также выявило, что разные материалы по-разному взаимодействуют со льдом. Гладкие и гидрофобные поверхности, включая некоторые виды пластика, позволяют неупорядоченному слою легко перемещаться, снижая трение. Напротив, материалы, которые сильнее притягивают молекулы воды, удерживают эту пленку, увеличивая сопротивление скольжению.

Таким образом, новая теория объясняет скользкость льда без обращения к таянию и может помочь в разработке более эффективных противоскользящих покрытий и обуви для зимних условий.

Источник:  earth.com