Как сделать лед скользким

Физики объяснили низкую скользкость льда при приближении к температуре плавления

Bambi / Disney, 1942

Физики установили, что на скользкость льда влияет не только тонкий слой жидкости, возникающий на поверхности, но и ряд других факторов: твердость льда, форма скользящего предмета и сила, с которой он давит на поверхность. Им удалось объяснить, почему при температурах, близких к температуре плавления, лед резко становится значительно менее скользким. Статья опубликована в журнале Physical Review X.

При отрицательных температурах вода замерзает и превращается в лед, по которому можно скользить. Это физическое явление кажется очень простым, но на самом деле физики еще с середины 19 века пытаются описать все факторы, влияющие на скользкость льда.

Скольжение предметов по льду объясняют появлением тонкого слоя воды под ними. Долгое время считалось, что давление на лед приводит к понижению его температуры плавления, и он начинает таять даже при отрицательных температурах. Но чтобы заставить лед таять хотя бы при минус пяти градусах, нужно приложить давление в 610 атмосфер. Это примерно эквивалентно тысяче слонов, поместившихся на катке площадью один квадратный метр. Поэтому позже физики стали связывать появление слоя воды не с давлением, а с нагреванием из-за трения предметов о лед.

Это объяснение подтвердили в 2019 году французские ученые. Они выяснили, что слой жидкости на льду действительно присутствует, его толщина составляет всего несколько сотен нанометров, и это не просто вода, а вязкая смесь воды с дробленым льдом.

Есть две температурных области, в которых лед ведет себя необычно и резко становится намного менее скользким: при охлаждении до −80 градусов Цельсия и при нагревании до температуры, близкой к температуре плавления. При этом при температуре от −10 до −5 градусов Цельсия он наоборот становится очень скользким. Ранее немецкие и голландские физики объяснили уменьшение скользкости льда тем, что при охлаждении снижается подвижность молекул воды в поверхностном слое. Это и приводит к возрастанию коэффициента трения.

Физики из Амстердамского университета под руководством Ринса Лиферинка (Rinse Liefferink) продолжили исследование своих коллег и изучили резкое уменьшение скользкости льда около нуля градусов. Это явление уже нельзя объяснить возникновением слоя жидкости: ученые пытались связать возрастание коэффициента трения с увеличением толщины этого слоя, но их теория не подтвердилась экспериментально.

Ученые провели серию экспериментов по скольжению с предметами разной формы: большими и маленькими сферами, лезвием, напоминающим лезвие конька. Температуру льда меняли в диапазоне от −120 до −1,5 градусов Цельсия. Чтобы сохранить лед гладким, ученые добавляли на него новый слой воды после каждого эксперимента.

Зависимость коэффициента трения от температуры для разных предметов, скользящих по льду. Скорость скольжения постоянна и равна 0,38 миллиметра в секунду. Синим отмечены данные для малой сферы, красным — для большой сферы, черным — для лезвия конька.

Rinse W. Liefferink et al. / Physical Review X, 2021

Источник

Почему лед скользкий: научный ответ на детский вопрос

Когда мы были маленькими, нашим родителям приходилось отвечать на сотни вопросов: почему небо синее, почему трава зеленая, почему кипяток горячий, почему нельзя кушать только сладкое и т.д. Любопытство и желание понять окружающий мир сопровождают нас всю жизнь. Кто-то вырастает и эти вопросы становятся для него вторичными, а кто-то начинает искать ответы в физике, химии и других науках. Сегодня мы с вами рассмотрим исследование ученых из Парижского университета, в котором они решили детальнее рассмотреть скользкую природу льда. Какие интересные открытия сделали ученые, мы узнаем из их доклада. Поехали.

Основа исследования

Лед и снег скользкие, поскольку обладают низким коэффициентом трения. Если бы все было иначе, то фигурное катание, хоккей, бобслей и другие зимние виды спорта были бы не такими увлекательными, а прохожие не поскальзывались на замерзшем тротуаре, демонстрируя воздушные пируэты, которым позавидует любой фигурист.

В основе скользкого льда лежит слой воды толщиной от 1 до 100 нм в зависимости от температуры. Это было установлено благодаря работам Майкла Фарадея. Однако ученые до сих пор спорят о природе этого слоя, механизме его возникновения и взаимодействия с другими объектами.

В относительно недавних исследованиях было установлено, что основную роль в скольжении по льду играет не трение ввиду давления, а фрикционное таяние: вязкая диссипация генерирует тепло, которое повышает температуру в области контакта до температуры плавления, в результате чего создается водосмазывающая пленка. Это утверждение было построено на теоретической основе и молекулярных измерениях, поскольку на практике изучить его крайне сложно ввиду того, что пленка талой воды динамически и самосогласованно генерируется при скольжении, что делает интерфейс между льдом и водной пленкой практически неуловимым для детального изучения. А из-за низкой контрастности интерфейса применять стандартные методы интерферометрии попросту нет смысла.

Как оказалось, будучи столь простым соединением, вода заставила поломать голову многих ученых, которые в результате своих экспериментальных методов изучения ее свойств на поверхности льда пришли к совершенно разным выводам. К примеру, один метод показывает, что толщина пленки воды составляет 5-10 мкм, а другой — менее 50 нм. А недавно проведенные измерения локальной температуры исключили полное плавление межфазной водной пленки при скольжении, что противоречит описанному выше объяснению (фрикционное таяние).

Каким бы простым и прозрачным на первый взгляд не казался лед, исследование его свойств оказалось сложным и запутанным. А причиной тому является неэффективность имеющихся методов изучения, потому в рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые предложили совершенно новый подход, позволяющий разделять различные физические компоненты.

Ученые смогли одновременно изучить трение миллиметрового слайдера (зонда) на льду и соответствующие межфазные механические свойства пленки талой воды на наноуровне. Для этого был использован усовершенствованный сканирующий атомно-силовой микроскоп, который оборудовали трибометром с наноразмерной точностью.

Подготовка к эксперименту

Изображение №1

На изображении 1а показана экспериментальная установка, в которой содержится двухрежимный камертон атомно-силового микроскопа. Установка была расположена в холодной камере с контролируемой температурой от −16 °C до 0 °C и относительной влажностью 70–80%. В качестве исследуемых образцов использовались кусочки льда сантиметрового размера, полученные из деионизированной воды.

Амплитуда α_T и фазовый сдвиг ϕ_T сферы контролируются акселерометром, приклеенным к одному из зубцов. Колеблющаяся сфера контактирует с поверхностью льда посредством пьезоэлемента со встроенным датчиком положения нанометрического разрешения.

Фазовая автоподстройка частоты поддерживает систему в резонансе, настраивая частоту возбуждения f_T, а тангенциальная сила трения F_F измеряется путем отслеживания силы возбуждения F em _T, необходимой для поддержания постоянной амплитуды колебания при скольжении в соответствии с F_F = (K_T / Q_T)(F em _T / F em _T, — 1) x α_T.

Использование столь малого зонда (сфера) с малой амплитудой колебания (50 нм) позволяет измерить нормальный механический импеданс льда, который вступает в контакт с зондом, Z*_N = F*_N / α_N (F*_N — комплексная нормальная сила, действующая на сферу).

Описанная методика суперпозиции (разделения одного сложного на несколько простых составляющих), по словам ученых, позволяет изучить механические свойства интерфейса, в то время как тангенциальное скольжение по боковой поверхности льда реализует принципы суперпозиционной реометрии (экспериментальное исследование деформаций и текучести вещества). Другими словами, подобная установка позволяет одновременно проводить трибометрию и реологию контакта между образцом и зондом (лед и сфера).

Ученые утверждают, что их новая методика позволяет куда более точно изучить механизм скольжения объектов по льду, а также заявляют о высокой степени точности и эффективности разработанной установки, подтверждением чего являются успешно проведенные эксперименты с другими жидкостями (силиконовое масло, ионные жидкости, полиэтиленгликоль 1000 и т.д.). Свойства этих жидкостей ранее уже были установлены, потому когда экспериментальная установка позволила получить известные заранее результаты, это подтвердило ее работоспособность и эффективность.

Процедура эксперимента

Сначала был проведен тестовый запуск сферы, необходимый для выравнивания поверхностей зонда и образца относительно друг друга. Затем зонд медленно опускали к образцу для достижения контакта между ними (1b): глубина вдавливания δ увеличивается, а сила трения увеличивается, когда зонд начинает проскальзывать по льду. Максимальное вдавливание сохраняли достаточно небольшим δ₀ ～ 3 мкм, чтобы предотвратить диссипацию.

Нормальный консервативный импеданс Z’_N был установлен на значении Z’_N0 путем регулирования положения максимального вдавливания δ₀. Данный процесс регулировки происходит за счет фиксации нагрузки на сферу, которая получается путем интегрирования градиента Z’N по глубине вдавливания. А это, в свою очередь, позволяет изменить латеральную (боковую) силу трения для заданной нагрузки (1b).

Следом за этим происходит отвод сферы от образца, за счет чего сила трения постепенно уменьшается вплоть до нуля.

Таким образом можно изучить все аспекты процесса контакта объекта со льдом при установленной нагрузке и в разных точках контакта.

Результаты экспериментов

Также было установлено, что при фиксированной скорости сила трения пропорциональна нормальной нагрузке. Это указывает на «твердоподобное» трение, коэффициент которого составляет µ = 0.015.

Следом были проведены такие же эксперименты, но в условиях разных температур, что позволило определить температурную зависимость силы трения (1d).

Изображение №2

Следующим этапом исследования было установление механических свойств интерфейса при скольжении. Были измерены вещественная (Z’_N) и мнимая (Z’’_N) части механического импеданса, которые связаны с упругим и диссипативным откликом интерфейса.

На изображении 2а показаны измерения нормального механического импеданса при контакте зонда и образца, а также при отводе зонда от образца. В данном случае наблюдается аналогичная силе трения (F_F) тенденция: плато во время регулирования при Z’_N0 с последующим плавным уменьшением во время отвода зонда. Оценка диссипации была осуществлена путем построения обратной функции зависимости диссипативного импеданса 1/Z’’_N от расстояния отвода зонда (2b). Важным аспектом этого измерения является факт того, что импеданс изменяется линейно относительно расстояния отвода. Только при значительном расстоянии отвода этот процесс немного нарушается, и возникают незначительные отклонения от линейного поведения.

Для неисчезающей скорости скольжения U промежуточная жидкость проявляет вязкую реакцию во время отвода зонда. Наблюдаемое линейное поведение 1/Z’’_N в зависимости от d также указывает на то, что вязкость η_R не зависит от глубины вдавливания.

Стоит также отметить, что толщина гидродинамической пленки h_hyd не фиксирована, а самостоятельно настраивается для достижения стационарного значения. В соответствии с линейной зависимостью между h_hyd и 1/Z’’_N, толщина неподвижной пленки (h₀) может быть вычислена из замеров модуля диссипации Z’’_N.

На изображении 2а видно, что в режиме регулирования Z’’_N достигает плато, выраженной как функция зависимости времени, скорости касания образца с зондом и нормальной нагрузки. Следовательно, с помощью формулы выше можно вывести значение постоянной толщины пленки (2b).

Можно также предположить, что гидродинамическая толщина будет суммой фактической толщины пленки и длины скольжения, если оно имеет место. Однако, учитывая гидрофильную природу льда, стоит также ожидать, что длина скольжения будет крайне мала (несколько нанометров), потому гидродинамическую толщину следует расценивать как фактическую толщину пленки.

Проведенные эксперименты, в которых применялась разная температура, скорость скольжения и нагрузка, позволили практическим путем определить постоянную толщину пленки. На 2с видно как изменяется толщина пленки в зависимости от тангенциальной скорости. Ранее считалось, что увеличение скорости приводит к непосредственному увеличению толщины, но на практике было установлено, что связи практически нет. Такая же слабая связь наблюдалась и в отношении толщины и нагрузки. А вот температура уже имела выраженное влияние на толщину пленки (2d): толщина увеличивалась от 100 до 500 нм с ростом температуры. Также наблюдения показали, что толщина неподвижной пленки примерно в 4 раза больше, чем у равновесных пленок в состоянии предплавления (светло-синий цвет на 2d).

Еще одним важным наблюдением во время экспериментов стало выявление вязкоупругой реологии межфазной пленки в момент скольжения.

Изображение №3

На графике 3а показана инверсия упругого сопротивления 1/Z’_N, которая демонстрирует линейное изменение с увеличением расстояния разделения d во время отвода зонда от образца.

Проведение экспериментов с разными переменными (скорость и температура) выявило факт того, что линейные экстраполяции модулей обратной упругости и диссипации пересекаются при одном и том же гидродинамическом нуле с погрешностью 30%. Подобная картина вполне привычна для сложных жидкостей (полимеры и полиэлектролиты).

Самое любопытное, что η_R очень сильно увеличивается при приближении к точке плавления и достигает значения в 2 раза большего, чем у воды при 0 °C (4а).

Изображение №4

Все вышеописанные наблюдения, как заявляют сами исследователи, подтверждают на удивление сложную реологию талой воды. Во-первых, межфазная водная пленка во время скольжения становится «вязкая, как масло» (слова ученых), т.е. ее вязкость в 2 раза выше, чем у обычной воды. Это наблюдение позволяет понять, как лед может обладать скольжением при учете того, что сама вода является крайне плохим смазочным материалом. Таким образом, тонкая пленка на поверхности льда ограничивает вдавливание объекта, скользящего по нему, что позволяет избежать прямого контакта между этими двумя твердыми телами (лед и лезвие коньков, например).

Получается, что вода, образованная в виде пленки на поверхности льда в момент скольжения является отличным смазочным материалом, в отличие от простой воды.

Ученые решили еще раз проверить свою модель, но с добавлением гидрофобного покрытия зонда, так как в зимних видах спорта крайне часто используется такое покрытие (например, воск) для снижения трения.

Экспериментальная установка отличалась лишь тем, что сферический стеклянный зонд в этот раз был покрыт слоем моносилана (SiH₄).

Изображение №5

И действительно, трение в сравнении с предыдущими опытами уменьшилось в 10 раз. Уменьшение трения становилось более отчетливым при достижении точки плавления.

Было установлено, что уменьшение трения не связано с измененной гидродинамической толщиной пленки (5b). И тут есть два вывода: во-первых, это исключает эффект конечного гидродинамического скольжения на поверхности, обычного для сложных жидкостей; во-вторых, это подтверждает, что гидродинамическая толщина не подвержена эффекту скольжения, даже в случае чистого зонда (без покрытия из SiH₄).

Скорее всего, тут имеет место снижение вещественной части вязкости для гидрофобного зонда по сравнению с гидрофильным. Этот эффект усиливается при приближении температуры к точке плавления (5с).

Проведенные опыты очень хорошо описывают различные аспекты влияния нанометровых процессов на макроскопическое трение льда. Но применить подобные выводы к снегу нельзя, так как он является еще более сложным материалом. Посему его свойства в вопросах скольжения еще предстоит изучить в будущем.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Не все так просто, как кажется. Данное исследование, по смелым заявлениям его авторов, полностью меняет наше представление о механизмах скольжения на льду и о тех процессах, что протекают в этот момент.

Использование нового метода исследования, куда более точного, нежели предшественники, позволило получить удивительные результаты. Водная пленка, покрывающая поверхность льда, в момент скольжения по нему зонда становилась вязкая, словно масло, тем самым предотвращая контакт льда и зонда и позволяя зонду проскальзывать по поверхности.

Ученые считают, что их труд несет не только теоретическую пользу, давая более широкое понимание окружающей среды, но и практическое применение. Самосмазывающаяся природа льда наталкивает на создание и исследование мягких и фазово-переменных твердых веществ, которые могут выступать в роли противоизносных пленок.

Как бы то ни было, теперь мы знаем что происходит, когда мы катаемся на коньках или падаем, поскользнувшись на присыпанном снегом льду, подкидывая мусорное ведро в воздух на высоту второго этажа (личный опыт 🙂 ).

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими, смотрите под ноги и хорошей всем рабочей недели, ребята! 🙂

Источник

Как сделать лед скользким

Рассказываем, как не отморозить руки, работая с водой, и создать прочную скользкую поверхность

День ледовара лучше всего отмечать строительством снежной горки

Фото: Илья Бархатов

16 января профессиональный праздник отмечают ледовары — люди необычной профессии, они заливают лёд на катках и создают красивейшие городки в парках и на городских площадях с сумасшедшими горками. Один из таких специалистов — челябинка Любовь Новикова, на её счету сотни горок, спроектированных и построенных в парке Гагарина и на площади Революции. Мы решили разузнать у неё некоторые профессиональные секреты и для этого отправились вместе строить снежную горку, ведь впереди у южноуральцев ещё минимум два месяца зимней погоды и снежных забав.

Нам повезло — в понедельник Челябинск накрыл такой снегопад, что теперь можно построить горки в каждом дворе. Мы же решили помочь родителям малышей в одном из детсадов города. Вооружились ведрами, лейкой, снеговыми лопатами, резиновыми перчатками и взялись за работу.

Любовь Новикова за свою жизнь построила сотни самых крутых горок

Фото: Илья Бархатов

Лайфхак первый: как сохранить руки в тепле

На строительство даже небольшой горки уйдёт не меньше пары часов. Работать придётся при минусовой температуре с водой. Чтобы не отморозить руки, запасаемся плотными резиновыми перчатками.

— Резиновые перчатки мы надеваем на тёплые шерстяные. Они должны быть самого большого размера — L или XL, чтобы пальцы не сдавливало, иначе руки быстро замёрзнут, — подсказывает Любовь.

Без больших резиновых перчаток в этом деле не обойтись

Фото: Илья Бархатов

Лайфхак второй: создаём из снега штукатурную смесь

На нашей детской площадке родители уже собрали основу для горки — набросали снег, утоптали, дали отстояться и немного пролили её водой. Наша задача — довести этот полуфабрикат до совершенства.

Набросать снег, утоптать его и залить — недостаточно для хорошей горки

Фото: Илья Бархатов

— Сначала мы создаём из снега штукатурную смесь, как настоящие строители. Сделать это можно двумя способами, — говорит снежных дел мастер. — Свежий снег можно прямо на горке поливать из лейки, чтобы он хорошо намок, впитал в себя воду, после этого можно приступать к лепке. Второй способ — набираем снег в ведро и заливаем водой, пока он не превратится в липкую массу. Когда всё готово — начинаем творить.

Липкой снежной массы требуется очень много, как и воды. По словам специалиста, на среднюю горку обычно уходит 200-литровая бочка.

Для неё ещё потребуется очень много мокрой снежной массы.

Фото: Илья Бархатов

Лайфхак третий: создаём крутую горку с поворотом

Первое, с чего мы начали, — сформировали защитные бортики по всей поверхности горки с двух сторон, они будут защищать детей от случайного падения. Лепим их из мокрой снежной массы, напоминающей по консистенции глину.

— Мы делаем маленькую горку, высотой меньше метра, для неё достаточно невысоких бортиков по скату, около десяти сантиметров. Если горка полтора-два метра в высоту, борта должны быть выше, до 30 сантиметров. Наверху, там, где ребёнок стоит и садится на ледянку, борт тоже делаем более высоким, — советует специалист.

. труда и творчества

Фото: Илья Бархатов

Мы решили сделать не прямую горку, а с поворотом. Такая конструкция интереснее, а в нашей ситуации позволяет обойти препятствие — стенку для лазания, которая находится в нескольких метрах от ледяного спуска. Для этого в самом низу горки мы плавно закруглили один из бортов.

— Правый борт с поворотом нужно сделать более мощным и высоким, чтобы ребёнок на скорости не вылетел за него, — предупреждает Любовь. — Сам поворот должен быть аккуратным и плавным, без углов.

Кстати, необычные горки с поворотами — страсть нашего мастера, особенно та, что ещё пару лет назад собирала толпы ребятишек в парке Гагарина.

— Раньше мы и на площади Революции делали много необычных горок, а в прошлом году запретили горки с поворотами, теперь по нормам в парках и ледовых городках можно делать только прямые, — говорит мастер.

Мы тщательно разглаживаем бортики, избавляя их от острых льдинок. Делать это надо сразу, пока снежная масса не схватилась.

Каждую деталь горки нужно создавать и доводить до совершенства, словно скульптуру

Фото: Илья Бархатов

Лайфхак четвёртый: делаем самую скользкую поверхность

Когда борта завершены, приступаем к заливке ската. Но не надейтесь, что можно обойтись парой вёдер. Скат, как и борта, мы формируем из мокрого снега и хорошо разглаживаем.

— Толщина этого покрытия должна быть около пяти сантиметров, тогда оно прослужит всю зиму, — говорит специалист.

Делать длинным спуск мы не стали — места на детской площадке маловато.

— На льду ледянка будет катить, тормозить она начинает лишь на снежной поверхности — это важно учесть, — объясняет Любовь. — Если пространство позволяет, заливать можно и 10–20 метров от подножия горки, в парке Гагарина, например, ледяная поверхность самой длинной горки сейчас превышает 100 метров.

Поливать горку лучше не из ведра, а из лейки — будет ровнее

Фото: Илья Бархатов

Когда покрытие горки готово, наносим финишный слой, и здесь тоже есть свои секреты.

Поливать горку горячей водой Любовь не советует — она растопит и снег, и лёд.

— Есть старый советский способ, когда берут швабру с тряпкой, которую смачивают в горячей воде, и проводят этой тряпкой по поверхности льда. Так можно делать, горячая вода сгладит все шероховатости, и лёд будет ровным, но делать это можно лишь на готовой, хорошо пролитой водой горке.

Лайфхак пятый: от падений спасёт противоуклон

Ступени для горки делаем в самую последнюю очередь: формируем их лопатой, выкладываем снежной массой, делаем бортики и поливаем водой.

— На ступеньках обязательно делаем уклон немного внутрь, чтобы ребёнок не соскальзывал назад. Кроме того, снег, который будет скапливаться на ступеньках в будущем, будет давать дополнительный уклон назад.

Готовой горке нужно постоять 12 часов, чтобы лёд окончательно застыл, после этого можно тестировать!

Говорят, именно так выглядит горка, сделанная с любовью для любимых детей

Источник