Почему лёд скользкий

Откуда берётся водяная плёнка на поверхности

Внутри ледяного массива каждая молекула воды крепко связана водородными связями с четырьмя соседними молекулами. Образуется жёсткая кристаллическая решётка с шестиугольными ячейками. Но на самой границе с воздухом этой симметрии нет. Сверху молекулам просто не за что зацепиться, поэтому внешние химические связи остаются разорванными.

Из-за недостатка соседей поверхностные молекулы теряют строгий порядок. Они начинают хаотично вибрировать, перемещаться и вращаться гораздо сильнее, чем внутри кристалла. Физики называют это квазижидким слоем. Его толщина крошечная — от десятых долей нанометра до нескольких десятков нанометров в зависимости от температуры. Этот слой существует сам по себе, даже когда на лёд вообще никто не наступает.

Когда предмет касается льда, сухой контакт твердого тела с твердым исчезает. Между лезвием конька и кристаллом оказывается слой подвижных молекул. В жидкой среде сопротивление движению падает в десятки раз. Сила трения скольжения по льду составляет около одной сотой от силы трения по сухому асфальту или дереву.

Что происходит при движении: роль трения и давления

Естественной квазижидкой плёнки достаточно для скольжения, но движение запускает второй мощный процесс — нагрев трением. Когда конёк начинает ехать, микроскопические неровности стали цепляются за ледяные бугорки. Механическая энергия движения переходит в тепловую.

Тепло мгновенно нагревает крошечные точки контакта до нуля градусов Цельсия. Лёд под лезвием плавится, и толщина водяной плёнки резко вырастает до сотен нанометров и даже микрометров. Лезвие буквально глиссирует по воде, подобно катеру на воздушной подушке. Как только конёк смещается дальше, оставшаяся сзади капля воды моментально замерзает обратно, отдавая тепло массивному холодному катку.

Почему коньки катятся отлично, а ботинки с резиной скользят хуже

Разница в поведении конька и подошвы ботинка кроется в площади контакта, физических свойствах материалов и теплопроводности.

• Лезвие конька имеет толщину около трёх миллиметров и опирается на лёд узкими ребрами желобка, создавая высокую концентрацию механической энергии на микроскопическом участке.
• Быстрое движение узкой кромки стали сосредоточивает выделение тепла в узкой полосе шириной в сотые доли миллиметра, за счёт чего вода плавится интенсивно и равномерно распределяется под металлом.
• Подошва зимнего ботинка обладает широкой площадью опоры, поэтому удельное выделение тепла от трения на единицу площади оказывается в сотни раз ниже.
• Мягкая резина протектора за счет эластичности обтекает ледяные неровности, создавая механическое зацепление за микрорельеф твердого льда.
• В теплой обуви подошва может подтапливать лёд статическим теплом, создавая опасную лужицу под ногой, в то время как холодная подошва при аккуратном шаге сохраняет сухое сцепление.

Зависимость скольжения от температуры

Лёд ведёт себя совершенно по-разному в зависимости от показаний термометра на улице. Идеальная температура для фигурного катания и хоккея находится в диапазоне от минус трёх до минус семи градусов Цельсия. При таких условиях поверхностный квазижидкий слой уже сформирован, а для дополнительного подтапливания трением требуется минимальное количество энергии.

Если температура опускается ниже минус двадцати или тридцати градусов, подвижность молекул на границе кристалла падает. Квазижидкий слой истончается до толщины одного атома. Тепла от трения лезвия уже не хватает, чтобы растопить прочный лед вокруг точки соприкосновения.

На экстремальном морозе лёд по свойствам приближается к обычному твёрдому камню вроде кварца или песчаника. Полозья саней или коньки начинают врезаться в кристаллы, крошить их и издавать характерный сухой скрип. Сила трения возрастает настолько, что качение становится затруднительным. В Якутии или Антарктиде при минус пятидесяти градусах скользить на лыжах почти невозможно — они скребут по льду, словно по наждачной бумаге.

История открытия квазижидкого слоя

Идею о том, что лёд сам по себе влажный снаружи, впервые выдвинул британский физик Майкл Фарадей в 1850 году. Он провёл элегантный опыт. Взял два влажных ледяных кубика и прижал их друг к другу в помещении с температурой чуть выше нуля — они быстро срослись. Затем он повторил опыт при температуре ниже нуля, соединив два сухих куска льда без сжатия. Кубики всё равно мгновенно срослись в единое целое.

Фарадей сделал вывод: внешние слои льда находятся в подвижном состоянии, близком к воде. Соприкасаясь, эти слои смешиваются и кристаллизуются, так как оказываются внутри массива, а не снаружи. Современники ученого сочли гипотезу странной, отдав предпочтение теории давления Джеймса Томсона.

Справедливость идей Фарадея подтвердили лишь в конце двадцатого века. Применение атомно-силовой микроскопии, рентгеновской дифрактометрии и ядерного магнитного резонанса позволило напрямую разглядеть неупорядоченную плёнку молекул воды на поверхности чистейших монокристаллов льда при любых умеренных отрицательных температурах.