Почему лёд скользкий

Каждую зиму миллионы людей выходят на катки, чтобы скользить по льду. Это ощущение знакомо каждому: чуть оттолкнулся — и уже летишь. Но задумывались ли вы, почему именно лёд такой скользкий? Ведь другие твёрдые тела — камень, дерево, металл — не дают такого эффекта. Ответ кроется в удивительных свойствах воды на границе фаз.

Первая гипотеза: давление

Долгое время считалось, что скольжение по льду объясняется простым физическим явлением: под давлением конька или ноги лёд плавится, образуя тонкую водяную смазку. Действительно, если сильно надавить на лёд, его температура плавления понижается. Но расчёты быстро разрушили эту красивую теорию.

Чтобы расплавить лёд под лезвием конька при температуре −10 °C, потребовалось бы давление в сотни атмосфер — гораздо больше, чем создаёт вес человека на узкой полозке. Даже профессиональный фигурист в прыжке не способен создать такое давление. Значит, дело не только в давлении.

Вторая гипотеза: трение

Следующее объяснение — тепло от трения. Когда лезвие скользит по льду, возникает трение, которое выделяет тепло и плавит тонкий слой льда. Эта теория работает при движении, но не объясняет, почему лёд скользкий даже в состоянии покоя — если просто стоять на коньках, вы всё равно можете поскользнуться. Кроме того, опыты показывают, что лёд остаётся скользким при очень медленном движении, когда трения почти нет.

Истина: квазижидкий слой

Современная наука даёт более тонкое объяснение. На поверхности льда всегда существует тонкий слой жидкой воды — так называемый квазижидкий слой. Его толщина составляет от нескольких нанометров до десятков нанометров, но этого достаточно, чтобы смазывать поверхность.

Откуда берётся эта вода при минусовой температуре? Дело в том, что молекулы на поверхности льда находятся в особом положении: они не полностью связаны с кристаллической решёткой, как молекулы в глубине. Поверхностный слой испытывает меньше связей, поэтому его молекулы более подвижны и могут переходить в состояние, близкое к жидкому, даже при −30 °C. Это не таяние в обычном смысле, а скорее «размягчение» поверхности.

Эксперименты с рассеянием рентгеновских лучей и атомно-силовой микроскопией подтвердили существование этого слоя. Его толщина растёт с приближением к 0 °C и уменьшается при сильном морозе. Именно поэтому лёд особенно скользкий при температуре около −5…0 °C и менее скользкий в сильный мороз.

Почему коньки скользят лучше, чем ботинки

Квазижидкий слой объясняет скользкость, но почему же на коньках мы скользим, а в обычной обуви — нет? Разница в давлении и площади контакта.

Конёк имеет узкое стальное лезвие, которое концентрирует вес тела на крошечной площади. Даже при умеренном давлении это создаёт дополнительное локальное плавление льда и продавливает квазижидкий слой, образуя микроканавку с водой. Ботинок имеет широкую подошву, давление распределяется, и слой воды оказывается недостаточным для скольжения — подошва просто «цепляется» за неровности.

Кроме того, сталь лезвия легко скользит по воде, а резина подошвы — нет. У резины высокий коэффициент трения о влажную поверхность, поэтому мы не скользим в обычной обуви, даже если под ней есть смазка.

Почему лёд бывает разной скользкости

Скользкость льда зависит от нескольких факторов: температуры, чистоты, состояния поверхности. Свежезалитый каток при −5 °C скользкий потому, что квазижидкий слой достаточно толстый, а поверхность гладкая. Лёд, присыпанный снегом, скользит хуже: снег впитывает воду и нарушает плёнку. Лёд с примесями солей или грязи тоже менее скользкий, потому что растворённые вещества меняют структуру поверхности и препятствуют образованию однородного жидкого слоя.

В очень сильный мороз (−20 °C и ниже) лёд становится почти неслызким, как бетон. Квазижидкий слой исчезает, и коньки перестают скользить. Опытные фигуристы знают: идеальная температура для катка — около −3…−5 °C.

Можно ли увидеть квазижидкий слой

Увидеть слой толщиной в несколько нанометров невооружённым глазом невозможно, но учёные могут наблюдать его с помощью специальных методов. В 2018 году исследователи из Университета Осаки использовали зондовую микроскопию, чтобы измерить вязкость и толщину этого слоя. Оказалось, что он действительно существует и обладает свойствами, промежуточными между льдом и обычной водой. Эти данные поставили точку в многолетнем споре о природе скользкости льда.

Итог

Лёд скользкий не потому, что он плавится под давлением, и не потому, что трение греет его. Лёд скользкий потому, что его поверхность всегда покрыта тончайшей плёнкой жидкой воды, которая работает как природная смазка. Этот квазижидкий слой — результат неполной связи молекул на границе кристалла и воздуха. Именно он позволяет нам парить по катку, а физикам — восхищаться сложностью воды, которая до сих пор преподносит сюрпризы.

Теперь, завязывая шнурки коньков, вы будете знать: ваше скольжение обеспечивает не лёд, а вода, которая не замерзает даже при минусе.