Каждую зиму миллионы людей сталкиваются с опасностью поскользнуться на обледенелых тротуарах. До сих пор ученые объясняли это явление просто: давление и трение от обуви или лыж растапливают тонкий слой льда, вода становится смазкой и делает поверхность скользкой. Эта теория казалась достаточно убедительной. Но новое исследование показывает иную картину.
Новое исследование меняет представления, которые были сформулированы еще в XIX веке, когда физик Джеймс Томсон дал свое объяснение. С тех пор никто всерьез не пытался эту теорию проверить. «Оказывается, ни давление, ни трение не играют особенно значительной роли в формировании тонкого жидкого слоя на льду», — говорит соавтор работы профессор Мартин Мюзер.
В том, что мы падаем на льду, виноваты диполи
Диполь образуется, когда молекула имеет частичную поляризацию зарядов. Молекулы воды естественным образом обладают такой полярностью. Во льду они выстраиваются в кристаллическую решетку. Когда кто-то ступает на лед, не сила веса, а ориентация диполей в подошве обуви нарушает упорядоченную структуру молекул льда. То есть взрослый и ребенок скользят по льду одинаково, если у них одинаковая структура обуви.
В трехмерном пространстве эти диполь-дипольные взаимодействия (подошва-лед) «смазываются». Результатом становится разрушение упорядоченной решетки льда. Она превращается в аморфную пленку. Этот процесс и объясняет, почему лед становится скользким.
Новая теория также опровергает давние представления о плавлении под давлением и из-за нагрева, возникающего при трении. Десятилетиями ученые спорили, скользят ли лыжники потому, что давление понижает точку плавления, или из-за того, что тепло от трения создает тонкую водяную пленку.
Но моделирование показывает, что лед может разжижаться без значительного нагрева или давления. Вместо этого происходит его переход из твердого в аморфное состояние, вызванное смещением диполей. Кристаллическая поверхность становится неупорядоченной исключительно из-за скользящего движения.
Исследование также опровергает еще одно устоявшееся убеждение. «До сих пор предполагалось, что катание на лыжах при температуре ниже -40°C невозможно, потому что слишком холодно для формирования тонкой смазывающей жидкой пленки под лыжами. Это тоже, как оказалось, неверно», — говорит Мюзер. Дипольные взаимодействия сохраняются при экстремально низких температурах, и жидкая пленка все равно формируется на границе между льдом и лыжей даже вблизи абсолютного нуля.
Исследование подчеркивает, что степень скольжения по льду зависит не только от молекулярных диполей, но и от свойств поверхности. Это означает, что материал лыж, коньков или обуви играет важную роль в том, насколько скользким будет лед.
