html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Скользкость льда объяснили диффузией молекул в поверхностном слое

Giphy

Физики детально изучили скольжение стального шарика по поверхности льда и показали, что к повышенной скользкости приводит образование подвижных молекул в поверхностном слое льда вследствие разрыва водородных связей. При этом такое поведение характерно для льда только при относительно небольших отрицательных температурах, а при дальнейшем охлаждении диффузия молекул замедляется и лед переходит в нормальное нескользкое состояние, пишут ученые в статье в Journal of Physical Chemistry Letters.

В конце XIX века аномальную скользкость льда при небольших отрицательных температурах предложили объяснять тем, что при повышенном контактном давлении из-за разницы в плотности между жидкой и твердой фазой происходит частичное плавление. Это приводит к появлению между двумя твердыми поверхностям жидкой прослойки, которая при скольжении играет роль смазки. Однако сейчас этот механизм считается не совсем точным, и появление очень тонкого водного слоя связывают не с контактным давлением, а нагревом при трении. Тем не менее, роль плавления в механизме снижения трения до сих пор вызывает вопросы, и на молекулярном уровне этот процесс исследован не до конца.

Чтобы прояснить молекулярный механизм снижения трения на поверхности льда, физики из Нидерландов, Германии и Франции под руководством Даниэля Бонна (Daniel Bonn) из Амстердамского университета провели экспериментальное исследование коэффициента трения при скольжении стального шарика по ледяной поверхности и объяснили полученные результаты с помощью спектроскопических измерений и компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Как эксперимент, так и моделирование изучали довольно широкий диапазон температур — от 0 до -100 градусов Цельсия.

Оказалось, что в температурной зависимости коэффициента трения есть две характерных области, которые определяются различными физическими эффектами. При относительно высоких температурах (примерно от 0 до −10 градусов Цельсия) сила трения определяется пластической деформацией льда при его продавливании. Поскольку нормальная сила, необходимая для вдавливания шарика в лед, увеличивается при охлаждении, то этот эффект заметен только очень близко к температуре плавления, но приводит к резкому падению коэффициента трения уже к -5 градусам Цельсия. В диапазоне от -5 до -10 градусов коэффициент трения аномально низок (его минимальное значение в этом интервале составляет примерно 0,01), а при дальнейшем понижении температуры он вновь начинает расти, постепенно увеличиваясь примерно до 0,5 при -100 градусах (это значение не выходит за пределы характерных значений для других твердых тел). При этом его температурная зависимость на этом интервале имеет выраженный аррениусовский вид и определяется энергией активации около 11,5 килоджоуля на моль.

Зависимость коэффициента трения и обратного коэффициента диффузии молекул от температуры. Черными символами обозначены экспериментальные данные, красными — результаты компьютерного моделирования. Сплошные линии соответствуют предсказанию двух теоретических моделей

B. Weber et al./ Journal of Physical Chemistry Letters, 2018

По характерному виду температурной зависимости, а также спектроскопическим данным и результатам моделирования авторы работы предположили, что при температурах ниже -5 градусов Цельсия сила трения определяется диффузией молекул воды в поверхностном слое. При относительно высоких температурах тепловая энергия помогает разорвать слабые водородные связи, которые связывают поверхностные молекулы с объемом кристалла, и привести эти молекулы в движение. При охлаждении доля подвижных молекул в поверхностном слое уменьшается, коэффициент диффузии начинает падать, а коэффициент трения — наоборот, расти.

По словам физиков, предложенный ими механизм скольжения определяется диффузией подвижных молекул воды в наружном слое, но не подразумевает при этом как такового плавления льда. Это подтверждают и экспериментальные данные: измеренная температурная зависимость коэффициента трения непрерывна и приводит к переходу в нормально «нескользкое» состояние, но никаких фазовых переходов при этом в системе не происходит.

Авторы работы отмечают, что наличие двух механизмов, определяющих силу трения в различных температурах, приводит к тому, что низкое трение для льда характерно лишь в довольно узком интервале, когда оба эффекта, повышающие трение, слабые — около -7 градусов Цельсия. Именно такие температуры используется, например, в зимних видах спорта: конькобежном спорте, фигурном катании, хоккее или керлинге.

Из-за того, что лед обладает аномально высоким низким коэффициентом трения, очень сложно сделать обувь, в которой можно безопасно ходить в обледенелым дорогам. Например, ранее канадские исследователи обнаружили, что подавляющее большинство зимней обуви не подходит для безопасного передвижения в условиях гололеда.

Александр Дубов

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с nplus1.ru

1

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • nplus1.ru
          • ученые
          • университет
          • исследования
          • эксперименты
          • домен nplus1.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции