Защо ледът е хлъзгав

Учените се опитват да разберат защо е възможно да се плъзгаме върху лед през последните 150 години. През 1849 г. братята Джеймс и Уилям Томсън (лорд Келвин) излагат хипотезата, че ледът под нас се топи, защото ние го натискаме. И така вече не се плъзгаме върху лед, а върху образувалия се воден филм на повърхността му. Наистина, ако налягането се увеличи, точката на топене на леда ще намалее. Въпреки това, както показват експериментите, за да се понижи точката на топене на леда с една степен, е необходимо да се увеличи налягането до 121 atm (12,2 MPa). Нека се опитаме да изчислим какъв натиск упражнява спортист върху леда, когато се плъзга върху него на една кънка с дължина 20 см и дебелина 3 мм. Ако приемем, че масата на спортиста е 75 кг, тогава неговото налягане върху леда ще бъде около 12 атм. Така, докато караме кънки, трудно можем да намалим точката на топене на леда с повече от една десета от градуса по Целзий. Това означава, че е невъзможно да се обясни плъзгането по лед в кънки и още повече в обикновени обувки, въз основа на предположението на братята Томсън, ако температурата извън прозореца например е -10 °C.

През 1939 г., когато става ясно, че хлъзгавостта на леда не може да се обясни с понижаване на температурата на топене, Ф. Боудън и Т. Хюз предполагат, че силата на триене осигурява топлината, необходима за разтопяването на леда под билото. Тази теория обаче не може да обясни защо е толкова трудно дори да стоиш на леда, без да се движиш.

От началото на 50-те години на ХХ в учените започнаха да вярват, че ледът все още е хлъзгав поради тънкия воден слой, който се образува на повърхността му поради някакви неизвестни причини. Това произтича от експерименти, в които е изследвана силата, необходима за разделяне на ледени топки, които се докосват една друга. Оказа се, че колкото по-ниска е температурата, толкова по-малко сила е необходима за това. означава,върху повърхността на топките има течен филм, чиято дебелина се увеличава с температурата, когато тя все още е много по-ниска от точката на топене. Между другото, Майкъл Фарадей също смяташе така през 1859 г., без никакви основания за това.

Едва в края на 1990г. изследването на разсейването на протоните, рентгеновите лъчи върху проби от лед, както и изследванията с помощта на атомно-силов микроскоп показаха, че повърхността му не е подредена кристална структура, а по-скоро прилича на течност. До същия резултат са стигнали и онези, които са изследвали повърхността на леда с помощта на ядрено-магнитен резонанс. Оказа се, че водните молекули в повърхностните слоеве на леда могат да се въртят с честоти 100 хиляди пъти по-големи от същите молекули, но в дълбините на кристала. Това означава, че водните молекули на повърхността вече не са в кристалната решетка - силите, които принуждават молекулите да бъдат във възлите на шестоъгълната решетка, действат върху тях само отдолу. Следователно повърхностните молекули не трябва да "избягват съветите" на молекулите в решетката и няколко повърхностни слоя водни молекули стигат до едно и също решение наведнъж. В резултат на това върху повърхността на леда се образува течен филм, който служи като добра смазка при плъзгане. Между другото, тънки течни филми се образуват на повърхността не само на лед, но и на някои други кристали, като олово.

Дебелината на течния филм се увеличава с повишаване на температурата, тъй като повече молекули излизат от шестоъгълни решетки. Според някои данни дебелината на водния филм върху ледената повърхност, която е около 10 nm при –35 °C, нараства до 100 nm при –5 °C.

Наличието на примеси (молекули, различни от вода) също пречи на повърхностните слоеве да образуват кристални решетки. Поради това е възможно да се увеличи дебелината на течния филм чрез разтваряне в негопримеси, като обикновена сол. Това е, което комуналните служби използват, когато се борят със заледяване на пътища и тротоари през зимата.