Загадочная физика льда: почему он скользит и как это меняет спорт 0:01
Лед — вещество, с которым человечество взаимодействует ежедневно, однако природа его скользкости остается предметом научных дискуссий на протяжении веков. В очередном эпизоде StarTalk Sports Edition астрофизик Нил Деграсс Тайсон, комик Чак Найс и бывший профессиональный футболист Гэри Райли обсудили с физиком Лори Уинклес, автором книги Sticky: The Secret Science of Surfaces, почему лед ведет себя столь необычно и как это влияет на зимние виды спорта.
🧊 Парадоксы трения: нанослой и мобильные молекулы 4:23
Вопреки обывательскому представлению, лед не всегда скользкий. По словам Лори Уинклес, коэффициент трения льда зависит от температуры:
- При экстремально низких температурах (около -100°C) лед обладает очень высоким трением, становясь «шершавой» поверхностью.
- По мере приближения температуры к точке плавления трение снижается, достигая минимума около -7°C.
Долгое время ученые искали объяснение этому явлению. Лишь в 2018 году исследование, проведенное учеными-братьями (химиком и физиком), позволило приблизиться к разгадке. Исследователи обнаружили наличие «квазижидкого» слоя толщиной всего в несколько нанометров (миллиардных долей метра) на поверхности льда.
Этот слой формируется из-за специфического поведения молекул воды на границе с воздухом. Внутри кристаллической решетки молекулы воды связаны с четырьмя соседями, но на поверхности льда они имеют меньше связей. При температуре около -7°C некоторые молекулы оказываются связаны лишь с двумя соседями. Такие молекулы становятся крайне подвижными — они способны «перекатываться» по поверхности, создавая эффект смазки. Лори Уинклес отмечает, что хотя это открытие было получено с помощью компьютерного моделирования, оно идеально объясняет экспериментально наблюдаемое снижение трения.
🏒 Лед в спорте: почему керлинг такой странный? 25:28
Разные зимние дисциплины требуют разного качества покрытия, и «ледовые мастера» (icemeisters) настраивают катки под конкретные задачи.
- Фигурное катание: Требует относительно мягкого льда (около -3°C), чтобы спортсмен мог эффективно «врезаться» лезвием при отталкивании для прыжков.
- Хоккей: Нужен более твердый лед (около -5°C) для баланса между сцеплением и скольжением при резких маневрах.
- Керлинг: Использует самый специфический тип льда. Поверхность специально делают «бугристой», нанося на нее капли воды, которые замерзают в виде маленьких выступов — «пебблов».
Керлинг долгое время оставался загадкой для физиков из-за асимметричного движения камня. Если слайд вращающейся бутылки по столу обычно отклоняется в сторону, противоположную вращению (из-за асимметричного трения), то керлинговый камень, наоборот, поворачивает в ту же сторону, куда вращается. Хотя механика этого движения до сих пор является предметом обсуждений, ключевую роль здесь играет взаимодействие узкого гранитного кольца на основании камня с грубой текстурой ледяных выступов.
🏔 Гляциология: от ледников к глобальным проблемам 38:48
По мнению Лори Уинклес, глобальное потепление оказывает прямое влияние на состояние ледников, что критически важно для обеспечения пресной водой. Снежный покров в горах служит «природным хранилищем»: накопленная за зиму влага постепенно тает весной, питая реки и пополняя водоносные горизонты.
Уинклес объясняет, что ледники — это не просто замерзшая вода, а плотная, гранулированная масса, которую можно рассматривать как своего рода метаморфическую породу. Под огромным давлением собственного веса лед начинает «течь», особенно в глубоких слоях, где он ведет себя скорее как пластик. В некоторых случаях, когда под ледником образуются потоки талой воды, движение становится катастрофически быстрым — по словам Уинклес, некоторые ледники могут преодолевать десятки метров в день.
Нил Деграсс Тайсон добавляет, что помимо очевидного влияния температуры воздуха, на замерзание водоемов влияет тепло, удерживаемое почвой, и тепловое излучение атмосферы, что делает физику льда крайне многогранной дисциплиной.
