Почему лёд скользкий только при температуре катания
На коньках катаются при минус пяти, и лёд под лезвием гладкий, как стекло. Тот же лёд при минус сорока — вязкий и цепкий, конёк по нему не едет, а скребёт. Разница не в том, что лёд «замёрз сильнее»: с точки зрения химии это одно и то же вещество. Меняется другое — тонкий слой на поверхности, который и отвечает за скольжение.
Школьное объяснение — «лёд тает под давлением конька» — плохо сходится с числами: давление лезвия снимает всего несколько градусов, и при минус двадцати этого мало. Второе популярное объяснение — трение плавит лёд, — тоже неполное: чтобы растопить лёд трением, нужно уже скользить, а скольжение начинается раньше.
Что показали измерения трения
В 2018 году в Journal of Physical Chemistry Letters вышла работа Вебера и коллег, где трение стали по льду измерили в широком диапазоне температур. Картина получилась резкой: при минус ста градусах трение очень высокое, а с ростом температуры коэффициент падает круто, по аррениусовской зависимости, с энергией активации около 11,5 кДж/моль.
Дальше главное наблюдение: очень низкое трение есть только в узком диапазоне температур — том самом, в котором обычно катаются на коньках. И это не про давление и не про выделенное тепло.
Слой, который не вода
Авторы связывают эффект с тонким квазижидким слоем на поверхности льда. Молекулы в нём подвижнее, чем в толще, но это не лужа: слой имеет собственную структуру и толщину в считанные нанометры. Именно он работает как смазка, и его свойства сильно зависят от температуры — при сильном холоде слой «замерзает», становится жёстче и держит.
Вторая работа, опубликованная в SciPost Physics в 2017 году, добавляет механику: двигающийся конёк выдавливает воду вперёд, и сила трения оказывается на удивление слабо зависящей от скорости и температуры. Не потому, что всё просто, а потому, что давление внутри водяного слоя подстраивается само.
Почему это важно, а не просто любопытно
Лёд — не экзотика. Это дороги, взлётные полосы, крыши, горные склоны и катки. Понимание того, что скольжение определяется тонким поверхностным слоем, а не «таянием под давлением», меняет подход к зимним реагентам и покрытиям: работать нужно не с массой льда, а с границей.
Есть и обратная сторона: тот же слой делает лёд скользким для обуви. По оценкам, зимний травматизм — одна из главных причин обращений в травмпункты в холодных регионах, и это ровно та же физика.
Оговорки
Измерения делали для стали по льду в лабораторной установке. Настоящий каток — это ещё песок, стружка, влажность воздуха и температура самого конька, поэтому цифры нельзя переносить на стадион один в один. И вопрос о структуре поверхностного слоя до сих пор обсуждается: разные методы дают разные оценки толщины.
А вы замечали, что в сильный мороз лёд на катке становится «тугим»? Напишите, при какой температуре вам катается лучше всего. Дальше разберу, почему Луна всегда повёрнута к нам одной стороной. Если такие истории вам интересны, подписывайтесь на «Под лупой».
Источники: Weber B. et al. Molecular Insight into the Slipperiness of Ice. Journal of Physical Chemistry Letters 2018;9(11):2838-2842, DOI https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.8b01188; van Leeuwen J. M. J. Skating on slippery ice. SciPost Physics 2017;3:042, DOI https://doi.org/10.21468/SciPostPhys.3.6.042.