Почему лёд скользкий

Фото: flickr com / Moment Catcher

Такое название дал известный популяризатор науки Я.И.Перельман одному из рассказов в первом томе «Занимательной физики». Впервые книга была опубликована в 1913 году, и более ста лет во многих изданиях цитируют данное автором объяснение — почему коньки скользят по льду даже в сильные морозы. «Скользкость льда, — пишет автор, — зависит главным образом не от гладкости, а от совершенно особой причины: от того, что температура плавления льда понижается при увеличении давления… Стоя на коньках, мы опираемся на очень маленькую площадь, всего в несколько квадратных миллиметров. И на эту небольшую площадь целиком давит вес нашего тела… Под большим давлением лед тает при пониженной температуре; если, например, лед имеет температуру -5°C, а давление коньков понизило точку плавления льда, попираемого коньками, более чем на 5°C, то эти части льда будут таять».

Это объяснение основывается на гипотезе, которую выдвинули в 1849 году британский физик Уильям Томсон (будущий лорд Кельвин) и его брат инженер Джеймс Томсон. Согласно этой гипотезе лед под коньками испытывает большое давление и плавится, поэтому коньки скользят уже не по льду, а по пленке воды на его поверхности. Такое объяснение впоследствии было повторено во множестве учебных и популярных статей по физике. Однако и ученые, и преподаватели физики и физической химии продолжают обсуждать физику скольжения коньков на морозе, и приведенное Перельманом «простое объяснение» подвергается сомнению. Ведь в обычной обуви тоже очень легко можно поскользнуться на льду. Да и маленькие дети могут кататься на коньках, хотя давление, создаваемое ими, мало.

Вот что пишет по этому поводу польский ученый и популяризатор науки Збигнев Плохоцкий в журнале «Горизонты техники для детей» (1988, 10): «Почему коньки делают из стали, а, например, не из специальной пластмассы? Ведь давно известны синтетические материалы, успешно заменяющие сталь. Они не только достаточно тверды, но им свойственна и меньшая сила трения при скольжении по льду, нежели у металла, имеющего такую же площадь контакта со льдом и тот же вес. Но представьте себе, скользить на пластмассовых коньках было бы намного труднее, потребовалось бы больше усилий от конькобежца. Почему? Вы, наверное, слышали про опыт с куском льда, который разрезает нагруженная на концах проволока: через определенное время проволока пронижет лед насквозь. Это происходит потому, что проволока, оказывая давление на лед, снижает его температуру плавления и он под проволокой начинает таять... Произойдет ли то же, если металлическую проволоку заменить нейлоновой леской? Оказывается, нет. Леска будет входить в лед настолько медленно, что он скорее растает, чем прорежется. Отсюда следует простой вывод: чтобы лед таял, недостаточно увеличить давление, нужна еще и дополнительная тепловая энергия. А где ее взять пластмассе, если она, как известно, плохой проводник тепла? Сталь же, из которой сделан конек, как хороший проводник тепла увеличивает возможность образования пленки под коньком. Поэтому на стальных коньках легче кататься, чем на пластмассовых.

Казалось бы, все ясно. Однако наши рассуждения следует продолжить. Известно, что при температуре менее ­-22°С лед не плавится даже под очень большим давлением. Значит, в подобных случаях смазывающий слой воды не появится. Но разве в сильный мороз скользить на коньках труднее, чем в умеренный? Каждый знает: разницы практической нет. Чем же это объяснить?

С сожалением признаюсь, что не знаю ответа на этот вопрос. Причем не только я, вам не ответит ни один физик. Ведь неоднократно бывало в истории наук, что малосущественное на первый взгляд наблюдение становилось началом фундаментального открытия… И в заключение, когда нам ясно, что же неясно, задам последний вопрос: если стальные коньки лучше пластмассовых, то почему поверхности лыж покрывают пластиком? Ведь снег — это тоже отвердевшая вода» (http://uchifiziku.ru/2012/07/03/sekrety­fiziki­fizik­na­konkax/).

Вот и авторы книги о химических мифах заинтересовались вопросом о том, что же является причиной хорошего скольжения коньков по льду — скользкость самого льда или прослойка воды, образующаяся под лезвием конька. Поверхность одного лезвия действительно мала, поэтому давление на лед велико. Хорошо известно, что температура кипения зависит от давления: чем оно выше, тем при более высокой температуре кипит жидкость. Например, клапан кастрюли-­скороварки срабатывает при давлении в ней 1,9 атм. При таком давлении вода кипит при 118°C. Температура плавления твердых тел также зависит от давления. Для большинства тел температура плавления увеличивается с давлением, потому что давление сближает атомы или молекулы, а при плавлении они, напротив, должны отдалиться друг от друга. Под давлением труднее разрушить кристаллическую решетку, и для этого требуется больше энергии, то есть нужна более высокая температура. Однако вода относится к немногим веществам, в твердой фазе которых атомы или молекулы не сближаются, а удаляются по сравнению с жидкостью при той же температуре (такими свойством обладают также висмут, сурьма, германий, кремний, аргон, а из сплавов — чугун). Кристаллическая структура льда довольно «рыхлая», поэтому лед легче воды и плавает на ней. Значит, температура плавления льда с повышением давления должна не повышаться, а понижаться, и лед под давлением может расплавиться и на морозе! Это отражено на фазовой диаграмме воды: при повышении давления от 1 до 2100 атм (209,9 МПа) температура плавления льда плавно понижается до ­-22°С. Видно, что влияние давления на температуру плавления много меньше аналогичного эффекта для кипения.

Однако против таяния льда под давлением коньков и их фактического «скольжения по воде» говорят такие факты.

Водители хорошо знают, что асфальт, покрытый корочкой льда, намного более скользкий, чем мокрое покрытие дороги.

Ребенок может кататься на коньках с не меньшим успехом, чем взрослый человек, даже если ребенок маленький, весит мало и оказывает на лед намного меньшее давление, чем взрослый человек на коньках.

С понижением температуры воздуха требуется все большее давление, чтобы растопить лед, поэтому в холодную погоду коньки должны были бы скользить по льду хуже. А скользить на одном коньке было бы лучше, чем на двух, потому что на лезвие одного конька давление вдвое больше. Тем не менее неверно и то, и другое.

Если даже очень грузный человек в не очень холодную погоду будет стоять на льду неподвижно, под коньками не образуется лужица воды.

Плавление льда — процесс далеко не мгновенный, однако даже при очень быстром беге коньки скользят не хуже, чем при медленном катании.

Оценить возможность плавления льда под коньками позволяет более подробная часть фазовой диаграммы в интересующей нас области давлений и температур. Например, при температуре ­-5°С вода будет жидкой, если повысить давление до нескольких сотен атмосфер. Из фазовой диаграммы видно также, что в реальных условиях мы имеем дело только с «обычным льдом», получившим название лед-­I.

Нетрудно также оценить давление, которое создает человек на лезвие конька. Если его длина, положим, 20 см, а ширина 2 мм, то площадь под одним коньком равна 4 см². Массу человека примем равной 80 кг, тогда сила давления на конек будет равна 20 атм. При таком давлении температура плавления льда снижается всего на несколько десятых градуса.

Против этого довода еще в XIX веке было выдвинуто такое возражение: и лезвия коньков, и поверхность льда не идеально плоские. Поэтому поверхность истинного контакта «конек — лед» может быть намного меньше, а давление, следовательно, намного больше. Однако, как хорошо известно, чем выше давление, тем больше и сила трения. Кроме того, из фазовой диаграммы следует, что при температурах ниже ­-22,1°С ни при каком давлении вода не может быть жидкой. И если бы оказалась верной теория «таяния льда» под давлением, было бы невозможно кататься на коньках ниже этой температуры. Но, как показывает практика, лед остается скользким для конькобежцев и при температуре ­-30°С. И только при -­60°С, как показали лабораторные эксперименты, скользкость льда сильно снижается.

Был выдвинут еще один довод в пользу таяния льда: энергия движения конькобежца передается с помощью трения на поверхность льда, и эта энергия идет на его поверхностное плавление. Трение действительно сопровождается выделением теплоты — но только при движении. Однако лед остается очень скользким и для человека, стоящего на месте, что хорошо знают все, впервые вышедшие на лед (причем не обязательно на коньках!).

Разгадка скользкости льда кроется на самом деле в структуре самой его поверхности, где молекулы воды значительно подвижнее, потому что слабее связаны с окружающими молекулами. Под движущимся коньком эти молекулы легко перемещаются, что и снижает трение. Другой механизм скольжения, вероятно, имеет место на синтетическом льду из блоков пластика, чаще всего из высокомолекулярного полиэтилена.

Встречаются ли в окружающей нас действительности такие давления, при которых происходит заметное понижение температуры плавления льда? Да, когда огромный ледник сползает по склону годы. Если на его пути встречается небольшая скала, то ледник или срезает ее, или «обтекает». В последнем случае большое давление льда на камень поднимает температуру плавления льда, который слегка подтаивает в месте контакта. Ниже скалы давление падает, и лед снова становится твердым.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 11/2018) на с. 18 — 19.