Почему лед скользкий?

Почему лед скользкий?

Предметы скользят друг относительно друга тогда, когда трение между их поверхностями мало. Наука, изучающая трение, называется трибологией. Она различает два вида трения: сухое, когда в промежутке между касающимися поверхностями движущихся друг относительно друга тел нет ни жидкости, ни газа; и жидкостное, когда поверхности предметов на значительных участках разделены жидкостью или газом, играющими роль смазки.

Смазка сильно уменьшает трение. Во-первых, она устраняет шероховатости трущихся поверхностей. Во-вторых, меняет взаимодействие между молекулами скользящих тел, потому что ее молекулы сами начинают участвовать в сложных физико-химических взаимодействиях. Разнообразие веществ и условий взаимодействия оказывается большим, поэтому для разных целей и в разных условиях приходится пользоваться огромным количеством разнообразных смазок.

Теперь понятно, что лед скользит потому, что между ним и скользящей поверхностью — полозом конька или саней, лыжей или подошвой нашей обуви — есть смазка. Но вот откуда она там взялась?

Над этим вопросом наука с переменным успехом бьется уже более 150 лет. Все гипотезы сходились на том, что такой смазкой служит вода. Например, братья Джеймс и Уильям (лорд Кельвин) Томсоны в 1849 году выдвинули гипотезу, что лед плавится от давления на него. Однако количественно она не подтвердилась. В 1939 году Филип Бауден и Теренс Хьюз предположили, что тепло, необходимое для плавления льда, дает сила трения при скольжении. Но эта теория не объясняла, почему же даже стоять бывает скользко.

К 50-м годам XX века все сдались. Лишь в конце 90-х с помощью рентгеновских лучей, атомно-силовой микроскопии, ядерно-магнитного резонанса и исследования рассеивания льдом протонов было, наконец, доказано, что на поверхности льда, то есть на границе между льдом и воздухом, вплоть до температуры ?100? имеется слой подвижных молекул воды. При температуре ?35? толщина ее слоя равна примерно 0,01 микрона, а при температуре ?5? — 0,1 микрона.

В общем, все соглашаются с таким простым объяснением. Молекулы воды, как известно, могут переходить из твердой кристаллической фазы, льда, прямо в газообразную фазу — водяные пары в воздухе. Действительно, это так, иначе бы белье на морозе не сохло! Вследствие этого перехода на границе твердого льда и окружающей атмосферы образуется переходная зона, в которой молекулы еще не совсем свободны, как в газе, но уже и не встроены в жесткую кристаллическую решетку льда.

На исследования льда только в США первые десять лет XX века израсходовано более 20 млн долларов. Однако полного теоретического объяснения свойств переходной зоны пока нет. Тем не менее управлять этими свойствами уже пытаются. Например, именно на этом в значительной степени построен керлинг, где игроки трут специальными щетками лед, чтобы повлиять на движение пущенного камня. А российский физик Виктор Петренко обнаружил, что при действии электрического поля предметы могут быстро примораживаться ко льду. На этом эффекте он создал лыжи с управляемым скольжением. На очереди автомобильные шины, а может быть, и безопасная зимняя обувь.