Фізики встановили, що на слизькість льоду впливає не тільки тонкий шар рідини, що виникає на поверхні, але і ряд інших факторів: твердість льоду, форма ковзного предмета і сила, з якою він тисне на поверхню. Їм вдалося пояснити, чому при температурах, близьких до температури плавлення, лід різко стає значно менш слизьким. Стаття опублікована в журналі
При негативних температурах вода замерзає і перетворюється на лід, за яким можна ковзати. Це фізичне явище здається дуже простим, але насправді фізики ще з середини 19 століття намагаються описати всі фактори, що впливають на слизькість льоду.
Ковзання предметів по льоду пояснюють появою тонкого шару води під ними. Довгий час вважалося, що тиск на лід призводить до зниження його температури плавлення, і він починає танути навіть при негативних температурах. Але щоб змусити лід танути хоча б при мінус п'яти градусах, потрібно докласти тиск в 610 атмосфер. Це приблизно еквівалентно тисячі слонів, що помістилися на ковзанці площею один квадратний метр. Тому пізніше фізики стали пов'язувати появу шару води не з тиском, а з нагріванням через тертя предметів об лід.
Це пояснення підтвердили в 2019 році французькі вчені. Вони з'ясували, що шар рідини на льоду дійсно присутній, його товщина становить всього кілька сотень нанометрів, і це не просто вода, а в'язка суміш води з дробленим льодом.
Є дві температурні області, в яких лід поводиться незвично і різко стає набагато менш слизьким: при охолодженні до - 80 градусів Цельсія і при нагріванні до температури, близької до температури плавлення. При цьому при температурі від − 10 до ‑ 5 градусів Цельсія він навпаки стає дуже слизьким. Раніше німецькі та голландські фізики пояснили зменшення слизькості льоду тим, що при охолодженні знижується рухливість молекул води в поверхневому шарі. Це і призводить до зростання коефіцієнта тертя.
Фізики з Амстердамського університету під керівництвом Рінса Ліферінка (Rinse Liefferink) продовжили дослідження своїх колег і вивчили різке зменшення слизькості льоду близько нуля градусів. Це явище вже не можна пояснити виникненням шару рідини: вчені намагалися пов'язати зростання коефіцієнта тертя зі збільшенням товщини цього шару, але їх теорія не підтвердилася експериментально.
Вчені провели серію експериментів зі ковзання з предметами різної форми: великими і маленькими сферами, лезом, що нагадує лезо коника. Температуру льоду змінювали в діапазоні від − 120 до − 1,5 градусів Цельсія. Щоб зберегти лід гладким, вчені додавали на нього новий шар води після кожного експерименту.
Крім коефіцієнта тертя, фізики виміряли твердість льоду. При наближенні до температури плавлення твердість різко знизилася.
За більш м'яким льодом предмети вже не просто ковзали, а «врізалися» в нього, як плуг в ріллю. Для сфер цей ефект проявився при _ 20 градусах, а для коника - при _ 8. Це показало, що на слизькість льоду при високих температурах впливає вже не поведінка молекул рідини в поверхневому шарі, а цілий ряд інших факторів: твердість льоду, форма ковзного предмета і сила, з якою він тисне на поверхню.
У процесі «згоріння» утворюються дрібні осколки льоду, які теж впливають на рух предмета. Особливо це помітно при русі туди-назад на невеликій ділянці: для металевої сфери, яку катали по одному і тому ж майданчику льоду, коефіцієнт тертя так і не став постійним з часом.
Інший цікавий результат нових спостережень - лід залишався слизьким навіть при швидкості предмета один мікрометр в секунду, хоча нагрів від тертя при такому повільному русі стає майже непомітним. Крім того, швидкість не змінювалася при використанні матеріалів з різною теплопровідністю. Це демонструє, що коефіцієнт тертя визначається не стільки кількістю теплоти і, відповідно, плавленням льоду, скільки формою предмета та іншими умовами.
Навіть такий простий фізичний об'єкт, як лід, може дивувати. Переконатися в цьому можна, прочитавши наш матеріал «Карусель для качок» про млинчастих крижаних крижаних вулканах на озері Мічиган.