Защо ледът е хлъзгав? Оказва се, че училищните учебници са ни лъгали в продължение на 200 години

Новата физика на хлъзгането показва, че посоката на зарядите е по-важна от килопаскалите.

Учениците по цял свят повече от сто години обясняват, че ледът става хлъзгав заради натиска и триенето: стъпваш на ледена плочка – подметката притиска леда, малко се разтопява и след това се подхлъзваш. Нова работа на учени от университета в Саарланд показва, че това е погрешно. Според професор Мартин Мюсер и колегите му Ахраф Атила (Achraf Atila) ключовата роля не е в натиска и триенето, а във взаимодействието на молекулярните диполи в леда с диполите на материала, който е в контакт с него – например подметката на обувката.

Тези резултати разчупват традиционната картина отпреди близо два века, когато братът на лорд Келвин, Джеймс Томсън, изказва предположението, че освен температурата, налягането и триенето влияят върху топенето на леда.

„Нито налягането, нито триенето играят решаваща роля при образуването на тънък течен филм върху леда“, обяснява Мюсер. Компютърните симулации показват, че решаващи се оказват диполно-диполните сили.

За да разберем какво се случва, е достатъчно да си припомним структурата на леда. При температура под нула градуса водните молекули образуват подредена кристална решетка. Когато човек стъпи върху такава „структура“, горният слой се разрушава не заради механичния натиск, а заради начина, по който диполите в материала на подметката са ориентирани спрямо диполите в леда. Възниква т.нар. фрустрация – конкуриращите се взаимодействия пречат на системата да поддържа реда. На границата „лед-повърхност“ кристалната структура се нарушава, става аморфна и в крайна сметка се превръща в течно състояние.

Авторите опровергават и друг разпространен мит: че карането на ски при температури под -40 °C е невъзможно, защото под ските не се образува смазващ воден филм. Диполно-диполните взаимодействия не изчезват дори при екстремно охлаждане – тънък филм все още се появява до температури, близки до абсолютната нула. Друг е въпросът, че той става толкова вискозен, че прилича повече на мед: не бихме припознали подобна вода и карането на кънки при тези условия е почти нереално, въпреки че самият филм съществува.

За човек, който се подхлъзне през зимата и се нарани, е малко утешително да знае коя физика е виновна – налягането, триенето или диполите. Но за науката тази разлика е фундаментална: новото обяснение на хлъзгавостта на леда променя дългогодишната теза от учебниците и открива пътя към по-точни модели на взаимодействието на материалите с леда. Научната общност вече е обърнала внимание на работата на екипа от университета в Саарланд, а последиците от това откритие тепърва ще се осмислят. Наистина интересно откритие, което може да доведе до създаването на нови технологии.