Почему лед скользкий?

На гладко натертом полу легче поскользнуться, нежели на обыкновенном. Казалось бы, то же самое должно происходить на льду, т. е. гладкий лед должен быть более скользок, нежели лед бугорчатый, шероховатый.

Но если вам случалось везти нагруженные ручные санки через неровную, бугристую ледяную поверхность, вы могли убедиться, что, вопреки ожиданиям, сани проскальзывали по такой поверхности заметно легче, чем по гладкой. Шероховатый лед более скользок, чем зеркально гладкий! Это объясняется тем, что скользкость льда зависит главным образом не от гладкости, а от совершенно особой причины: от того, что температура плавления льда понижается при увеличении давления.

Разберем, что происходит, когда мы катаемся в санях или на коньках. Стоя на коньках, мы опираемся на очень маленькую площадь, всего в несколько квадратных миллиметров. И на эту небольшую площадь целиком давит вес нашего тела. Если вы вспомните сказанное ранее о давлении, то поймете, что конькобежец давит на лед со значительной силой. Под большим давлением лед тает при пониженной температуре; если, например, лед имеет температуру -5°, а давление коньков понизило точку плавления льда, попираемого коньками, более чем на 5°, то эти части льда будут таять . Что же получается? Теперь между полозьями коньков и льдом находится тонкий слой воды, – неудивительно, что конькобежец скользит. И как только он переместит ноги в другое место, там произойдет то же самое. Всюду под ногами конькобежца лед превращается в тонкий слой воды. Такими свойствами из всех существующих тел обладает только лед; один советский физик назвал его «единственным скользким телом в природе». Прочие тела гладки, но не скользки.

Теперь мы можем вернуться к вопросу о том, гладкий или шероховатый лед более скользок. Мы знаем, что один и тот же груз давит тем сильнее, чем на меньшую площадь он опирается. В каком же случае человек оказывает на опору большее давление: когда он стоит на зеркально гладком или на шероховатом льду? Ясно, что во втором случае: ведь здесь он опирается лишь на немногие выступы и бугорки шероховатой поверхности. А чем больше давление на лед, тем обильнее плавление и, следовательно, лед тем более скользок (если только полоз достаточно широк; для узкого полоза коньков, врезающегося в бугорки, это неприложимо – энергия движения расходуется здесь на срезывание бугорков).

Понижением точки таяния льда под значительным давлением объясняется и множество других явлений обыденной жизни. Благодаря этой особенности льда отдельные куски его смерзаются вместе, если их сильно сдавливать. Мальчик, сжимая в руках комья снега при игре в снежки, бессознательно пользуется именно этим свойством ледяных крупинок (снежинок) смерзаться под усиленным давлением, понижающим температуру их таяния. Катая снежный ком для «снежной бабы», мы опять-таки пользуемся указанной особенностью льда: снежинки в местах соприкосновения, в нижней части кома, смерзаются под тяжестью надавливающей на них массы. Вы понимаете теперь, конечно, почему в сильные морозы снег образует рассыпающиеся снежки, а «баба» плохо лепится. Под давлением ног прохожих снег на тротуарах постепенно уплотняется в лед: снежинки смерзаются в сплошной пласт.

В первый раз, когда вы наступаете на ледовый каток, вы делаете это боязливо опасаясь падения. Но что делает лёд настолько скользким? Интересно, что ученые отвечают.

Физики верили, что лёд скользкий из-за воздействия силы тела. Это давление, которое они теоретизируют, увеличивает температуру плавления верхнего слоя льда.

Когда человек катается на льду, под давлением вызванном металлическим лезвием коньков, тает лёд. Этот тонкий слой воды позволяет коньку плавно скользить по поверхности. После прохождения льда колея снова замерзает.

Однако большинство ученых утверждают, что эта теория ошибочна. Лёд — загадочное тело, говорит Роберт М. Розенберг, профессор химии в Университете Лоуренса.

Исследователи обнаружили, что давление которое снижает температуру плавления льда, составляет лишь небольшое повышение градуса. Вместо этого они предложили, что трение конька заставляет лёд таять под ним.

Другие полагают что лёд естественно имеет слой жидкости, состоящий из нестабильных . Хотя эти молекулы стремятся к стабильности, они хаотично движутся по поверхности льда и создают скользкий слой.

Почему горячая вода замерзает быстрее?

Команда исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре считает это хорошей тайной почему горячая вода замерзает быстрее холодной. Это явление, которое кажется совершенно нелогичным, уже было замечено самим Аристотелем. Он рассказывал, что некоторые жители нынешней Турции распыляли доски своих заборов горячей водой на которые нельзя было влезть, потому что таким образом они замерзали быстрее.

Однако до 70-х годов он получил название, эффект Мембы. Эрасто Б. Мемба, который понял в школе, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее.

Но до сих пор ученым не удалось найти удовлетворительного объяснения. По их мнению, дело связано с тем, как энергия хранится в водородных связях между молекулами воды.

Как известно, молекулы воды имеют один атом кислорода и два атома водорода, все они связаны ковалентными связями (обмен электронами).

В молекулах воды атомы водорода также притягиваются к атомам кислорода в других соседних молекулах воды. Это называется водородной связью. Но в то же время молекулы воды в целом отталкиваются друг от друга.

Авторы исследования отмечают, что чем больше воды нагревается, тем больше расстояние между молекулами обусловлено силой отталкивания между ними. Это заставляет молекулы водорода растягиваться, так что энергия сохраняется. Эта энергия, по мнению исследователей, высвобождается, когда вода охлаждается, позволяя молекулам сблизиться.

Горячая вода имеет большее количество водородных связей, чем холодная вода. Поэтому она хранит больше энергии и больше выделяется при воздействии температур ниже нуля. Вот почему, говорят исследователи, она замерзает быстрее, чем холодная вода.

Приграничье - странное место, уже не подвластное законам нашего мира. Место, в котором почти всегда царит стужа, а боевые заклинания разят ничуть не хуже автоматных пуль. Вырваться оттуда в нормальный мир не удавалось пока еще никому, но для бывшего патрульного со странным прозвищем Скользкий это, пожалуй, единственный шанс выйти живым из смертельно опасной игры без правил, в которую он угодил, просто купив у случайного знакомого нож…

Где купить книгу "Скользкий":

Информация о переизданиях:

Приграничье. Клинок стужи (дилогия)

(Альфа-Книга, 2009)

Издание в одном томе романов «Лёд» и «Скользкий»

Сойти на заброшенном полустанке, обернуться - и не увидеть ни поезда, ни железнодорожных путей. Выскочить из автобуса за пивом - и заблудиться в тумане. Просто свернуть не туда - и выпасть из нормального мира.

Провалиться в Приграничье. В насквозь промороженный закуток между двумя реальностями. Но и в этом царстве вечного холода, где боевые чары столь же привычны, как и огнестрельное оружие, важно оставаться человеком.

Вот только возможно ли это, если душу, того и гляди, утянет на самое дно моря стужи проклятый клинок?

Информация об иностранных изданиях книги:

Издание романа «Скользкий» на польском языке.

В Польше книга вышла под назвением "Sliski".

Два тома, мягкая обложка.

Fabryka Slow (Polska), 2009

Переиздание романа «Скользкий» на польском языке.

Fabryka Slow (Polska), 2017

Дополнительная информация по книге "Скользкий"

Надо сказать, что "Лёд" первоначально виделся мне отдельным и вполне самодостаточным произведением. Но уже в процессе написания возникли интересные задумки, а после заключения договора на издание первой книги позвонили из издательства и спросили: "когда продолжение?". Не "а будет продолжение?", а именно - "когда". И я ответил, что через полгода.

В срок, правда, не уложился - но причина для этого была самая веская: в то время у меня не было доступа к компьютеру, а точнее просто некуда было его ставить, поэтому "Скользкого" я писал ручкой в текрадках. И писал книгиу от руки я первый и последний раз - разбирать собственный почерк и набивать текст в последствии было сущим мучением.

Дополнительные материалы книги "Скользкий"

Альтернативный пролог , который не вошёл в бумажное издание произведения.

Иллюстрации книги "Скользкий":

Узнать, почему можно скользить по льду, учёные пытаются в течение последних 150 лет. В 1849 году братья Джеймс и Вильям Томсон (лорд Кельвин) выдвинули гипотезу, согласно которой лёд под нами плавится потому, что мы на него давим. И поэтому мы скользим уже не по льду, а по образовавшейся плёнке воды на его поверхности.

Действительно, если увеличить давление, то температура плавления льда понизится. Происходит это вот почему. Известно, что плотность льда меньше, чем воды, и поэтому, когда лёд сжимают, он, пытаясь уменьшить деформацию, вызванную ростом давления, понижает температуру плавления. Это одно из проявлений, так называемого, принципа Ле Шателье - «Внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия».

Однако, как показали эксперименты (см. рисунок сверху), чтобы понизить температуру плавления льда на один градус необходимо давление увеличить до 121 атмосфер (12,2 МПа). Попробуем посчитать, какое давление оказывает спортсмен на лёд, когда скользит по нему на одном коньке длиной 20 см и толщиной 0,3 см. Если считать, что масса спортсмена 75 кг, то его давление на лёд составит около 12 атмосфер. Таким образом, стоя на коньках, мы едва ли сможем понизить температуру плавления льда больше, чем на 0,1 о С. Значит, объяснить скольжение по льду в коньках и, тем более, в обычной обуви, опираясь на принцип Ле Шателье, невозможно, если за окном, например, -10 о С.

	Сколько существует видов (фаз) льда?
Фаза	Характеристики
Аморфный лёд	Аморфный лёд не обладает кристаллической структурой. Он существует в трех формах: аморфный лёд низкой плотности (LDA), образующийся при атмосферном давлении и ниже, аморфный лёд высокой плотности (HDA) и аморфный лёд очень высокой плотности (VHDA), образующийся при высоких давлениях. Лёд LDA получают очень быстрым охлаждением жидкой воды («сверхохлаждённая стекловидная вода», HGW), или конденсацией водяного пара на очень холодной подложке («аморфная твёрдая вода», ASW), или путём нагрева высокоплотностных форм льда при нормальном давлении («LDA»).
Лёд I h	Обычный гексагональный кристаллический лёд. Практически весь лёд на Земле относится ко льду I h , и только очень малая часть — ко льду I c .
Лёд I c	Метастабильный кубический кристаллический лёд. Атомы кислорода расположены как в кристаллической решётке алмаза. Его получают при температуре в диапазоне от -133 °C до -123 °C, он остаётся устойчивым до -73 °C, а при дальнейшем нагреве переходит в лёд I h . Он изредка встречается в верхних слоях атмосферы.
Лёд II	Тригональный кристаллический лёд с высокоупорядоченной структурой. Образуется изо льда I h при сжатии и температурах от -83 °C до -63 °C. При нагреве он преобразуется в лёд III.
Лёд III	Тетрагональный кристаллический лёд, который возникает при охлаждении воды до -23 °C и давлении 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей льда в зоне высоких давлений.
Лёд IV	Метастабильный тригональный лёд. Его трудно получить без нуклеирующей затравки.
Лёд V	Моноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлаждении воды до -20 °C и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями.
Лёд VI	Тетрагональный кристаллический лёд. Образуется при охлаждении воды до -3 °C и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация .
Лёд VII	Кубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода; в веществе проявляется дебаевская релаксация . Водородные связи образуют две взаимопроникающие решётки. Это тугоплавкий лёд: при давлении 40 000 атм. он плавится при температуре +175 °С, при давлении 20 ГПа (200 тыс. атм.) лёд VII плавится при температуре 400°С.
Лёд VIII	Более упорядоченный вариант льда VII, где атомы водорода занимают, очевидно, фиксированные положения. Образуется изо льда VII при его охлаждении ниже 5 °C.
Лёд IX	Тетрагональная метастабильная модификация. Постепенно образуется изо льда III при его охлаждении от -65 °C до -108 °C, стабилен при температуре ниже -133 °C и давлениях между 200 и 400 МПа. Его плотность 1,16 г/см³, то есть, несколько выше, чем у обычного льда.
Лёд X	Симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа.
Лёд XI	Ромбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Является сегнетоэлектриком.
Лёд XII	Тетрагональная метастабильная плотная кристаллическая модификация. Наблюдается в фазовом пространстве льда V и льда VI. Можно получить нагреванием аморфного льда высокой плотности от -196 °C до примерно -90 °C и при давлении 810 МПа.
Лёд XIII	Моноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже -143 °C и давлении 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XIV	Ромбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже -155 °C и давлении 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XV	Разновидность льда VI с упорядоченным расположением протонов. Можно получить путём медленного охлаждения льда VI примерно до -143 °C и давлении 0,8-1,5 ГПа.
	Новые исследования формирования водяного льда на ровной поверхности меди при температурах от -173 °C до -133 °C показали, что сначала на поверхности возникают цепочки молекул шириной около 1 нм не гексагональной, а пентагональной структуры.
	Вымышленныйлёд-девять — материал, описанный писателем-фантастом Куртом Воннегутом в романе «Колыбель для кошки » — полиморфическая модификация воды, более стойкая, чем обычный лёд (тающий при температуре 0 градусов Цельсия). Тает при температуре 114,4 °F (~45,8 °C), а при контакте с более холодной жидкой водой ведёт себя как центр кристаллизации для соприкасающейся с ним воды, которая быстро затвердевает и тоже превращается в лёд-девять. Таким образом, попав в любой водоём, так или иначе сообщающийся с Мировым океаном (посредством ручьёв, болот, рек, подземных источников и прочего) лёд-девять мог вызывать кристаллизацию большей части воды на Земле и впоследствии — гибель жизни на планете. Воннегут придумал это вещество во время работы в General Electric. Когда он писал этот роман, было известно всего восемь кристаллических модификаций льда.
	Поскольку в природе существуют различные изотопы водорода и кислорода, то существуют и различные виды воды (соответственно и льда). Формально возможных «вод» с учётом всех известных изотопов водорода (7) и кислорода (17) существует 476. Однако распад почти всех радиоактивных изотопов водорода и кислорода происходит за секунды или доли секунды (важным исключением является тритий, период полураспада которого более 12 лет). Поэтому имеет смысл говорить о 9 стабильных не радиоактивных модификациях воды и о 9 слаборадиоактивных. Тяжёлая вода D 2 O превращается в лёд при +3,81 °C, а кипит при 101,43 °C. Сверхтяжёлая слаборадиоактивная вода T 2 O замерзает при +9 °C, а кипит при 104 °C.

В 1939 году, когда стало ясно, что понижением температуры плавления скользкость льда не объяснить, Ф.Бауден (Bowden) и Т.Хьюз (Hughes) предположили, что тепло, необходимое для плавления льда под коньком, даёт сила трения. Однако эта теория не могла объяснить, почему так тяжело бывает даже стоять на льду, не двигаясь. С начала 1950-х годов учёные стали считать, что лёд скользкий из-за тонкой плёнки воды, образовавшейся на его поверхности в силу каких-то неизвестных причин. Это вытекало из опытов, в которых изучали силу, необходимую для того, чтобы рассоединить касающиеся друг друга ледяные шарики. Оказалось, чем ниже температура, тем меньше сила нужна для этого (см. рисунок внизу). Значит, на поверхности шариков есть плёнка жидкости, толщина которой увеличивается с температурой, когда она ещё гораздо ниже температуры плавления. Кстати, так полагал и М. Фарадей ещё в 1859 году, не имея на то никаких оснований.

Только в конце 1990-х годов изучение того, как рассеивает лёд протоны, рентгеновские лучи, а также исследования с помощью AFM микроскопии показали, что его поверхность не является упорядоченной кристаллической структурой, а скорее похожа на жидкость (см. рис. внизу). К такому же результату пришли и те, кто изучал поверхность льда с помощью ЯМР. Оказалось, что молекулы воды в поверхностных слоях льда способны вращаться с частотами в 100 000 раз большими, чем те же молекулы, но в глубине кристалла. Значит, на поверхности молекулы воды уже не находятся в кристаллической решётке.

Схематическое изображение кристалла льда в его глубине (низ) и на его поверхности.

Расположенные на поверхности льда молекулы воды находятся в особых условиях, т.к. силы, заставляющие их находиться в узлах гексагональной решётки, действуют на них только снизу. Поэтому поверхностным молекулам ничего не стоит «уклониться от советов» молекул, находящихся в решётке, и если это происходит, то к такому же решению приходят сразу несколько поверхностных слоёв молекул воды. В результате, на поверхности льда образуется плёнка жидкости, служащая хорошей смазкой при скольжении. Кстати, тонкие плёнки жидкости образуются не только на поверхности льда, но и у некоторых других кристаллов, например, свинца.

Толщина жидкой плёнки растёт с ростом температуры, так как более высокая тепловая энергия молекул вырывает из гексагональных решёток больше поверхностных слоёв. По некоторым данным толщина водной плёнки на поверхности льда, равная при -5 градусах 100 нм, при -35 градусах уменьшается в десять раз - до 10 нм, а при -170 градусах она состоит вообще из одного слоя молекул. Так, жители Арктики рассказывают, что тащить по льду сани при очень низких температурах то же, что тащить их по песку (ведь смазки в этом случае мало).

Наличие примесей (молекул, отличных от воды) тоже мешает поверхностным слоям образовывать кристаллические решётки. Поэтому увеличить толщину жидкой плёнки можно, растворив в ней какие либо примеси, например, обычную соль. Этим и пользуются коммунальные службы, когда борются зимой с обледенением дорог и тротуаров.

Из книги К.Ю. Богданова "Прогулки с физикой".

Константин Богданов, Земля (Sol III).

Итак, лёд скользкий именно потому, что его молекулярная природа предусматривает наличие тонкой плёнки воды на поверхности, которая играет роль смазки. С понижением температуры лёд теряет своё “скользкое” свойство.

По материалам:

Цель. Развивать познавательную и речевую активность.

Задачи :

1. Познакомить детей со свойствами льда;

2. Показать зависимость силы трения от характера поверхности, значение водяной плёнки в скольжении ;

3. Закреплять умение получать информацию во время видеопросмотра;

делать выводы на основе, проведённых опытов ;

4. Воспитывать самостоятельность, активность.

Предварительная работа : оформление презентации «Почему скользят коньки ?» совместно с родителями, замораживание льда.

Материал : оборудование для просмотра мультимедиа; презентация «Почему скользят коньки ?» ; лэпбук «Про лёд» , листки бумаги, фломастеры, кубики льда, пластиковые тарелки, стаканчики с водой, молоток, лист стекла небольшого размера.

Ход занятия.

I. Организационный момент (2 мин.)

Воспитатель. Идет зима. Прекрасное время года.

Много нам забав чудесных дарит зимушка-зима :

Мы катаемся на санках. Лепим мы снеговика И в хоккей играем дружно, И на лыжах с гор летим. И пора нам в детский садик, А мы вовсе не хотим. (автор : Боровлева Н. А.)

У каждого из вас есть своя любимая игра. О своей любимой игре зимой нам расскажет Савелий.

II. Основная часть (22 мин.)

1. Представление исследовательского проекта ребёнком.

Воспитатель. Вы внимательно слушали рассказ.

А как вы думаете, сможем ли мы с вами повторить исследование Савелия? Или это получилось только у него (ответы детей)

Начиная наше исследование, вспомним, что мы должны узнать. (ответы детей)

2. Проведение детьми опытно- экспериментальной деятельности .

Воспитатель. Давайте проведём опыт : «Свойства льда» .

Возьмите в руки кубик льда.

Какой он внешне?

Какой он на ощупь?

Постучим по кубику льда молотком. Что произошло?

Положите кубик льда в стакан. Посмотрите, утонет ли лёд?

Зажмите кубик льда в ладони. Что происходит со льдом?

(дети выполняют манипуляции со льдом, отвечают на вопросы) .

Обобщение. Лёд прозрачный. Он холодный, гладкий на ощупь. Одновременно твёрдый и хрупкий. Лёд не тонет в воде. В тепле он легко превращается в воду.

Как вы думаете, какое из перечисленных свойств делает лёд скользким ?

(ответы детей)

Для уточнения этого, сравним стекло и лёд.

Опыт «Почему лёд скользкий ?»

Дети рассматривают стекло совместно с воспитателем, сравнивают их внешние свойства.

Обобщение. Стекло и лёд очень похожи : стекло, как и лёд, прозрачное, холодное, гладкое. Одновременно твёрдое и хрупкое.

Но лёд более скользкий , чем стекло. Почему ?

Чтобы ответить на это, расскажите, что происходит с поверхностью льда во время скольжения по нему ?

Проведите пальчиком по льду и стеклу, что происходит с ними (ответы детей)

Обобщение. При воздействии лёд легко тает, образуется вода, которая помогает скольжению , а стекло не тает, поэтому и скользить по нему , как льду, нельзя.

3. Оформление детьми лэпбука «Про лёд» .

Воспитатель. Нарисуйте всё, что вам было особенно интересно и больше понравилось сегодня на занятии.

Дети рисуют запомнившиеся моменты занятия, оформляют совместно с воспитателем лэпбук «Про лёд» .

III. Заключительная часть (1мин.)

Воспитатель. Сегодня мы проводили научные опыты , благодаря которым узнали о свойствах льда; о зависимости быстроты скольжения от характера поверхности, на которой происходит скольжение ; о значение водяной плёнки в скольжении . Вечером поделитесь своими научными открытиями с мамами и папами.