Чому лід слизький

Дізнатися, чому по льоду можна ковзати, вчені намагаються протягом останніх 150 років. У 1849 р. брати Джеймс і Вільям Томсон (лорд Кельвін) висунули гіпотезу, згідно з якою лід під нами плавиться через те, що ми на нього давимо. І тому ми ковзаємо вже не по льоду, а по плівці, що утворилася, води на його поверхні. Справді, якщо збільшити тиск, температура плавлення льоду знизиться. Однак, як показали експерименти, щоб знизити температуру плавлення льоду на один градус, необхідно збільшити тиск до 121 атм (12,2 МПа). Спробуємо порахувати, який тиск чинить спортсмен на лід, коли ковзає по ньому на одному ковзані завдовжки 20 см і завтовшки 3 мм. Якщо вважати, що маса спортсмена 75 кг, його тиск на лід складе близько 12 атм. Таким чином, стоячи на ковзанах, ми навряд чи можемо знизити температуру плавлення льоду більше ніж на десяту градуса за шкалою Цельсія. Значить, пояснити ковзання по льоду в ковзанах і тим більше у звичайному взутті, спираючись на припущення братів Томсонів, неможливо, якщо температура за вікном, наприклад, –10 °С.

У 1939 р., коли зрозуміли, що зниженням температури плавлення слизькість льоду не пояснити, Ф.Бауден і Т.Хьюз припустили, що тепло, необхідне плавлення льоду під ковзаном, дає сила тертя. Однак ця теорія не могла пояснити, чому так важко навіть стояти на льоду, не рухаючись.

З початку 1950-х років. вчені стали вважати, що лід слизький все-таки через тонку плівку води, що утворюється на його поверхні через якісь невідомі причини. Це випливало з дослідів, в яких вивчали силу, необхідну для того, щоб роз'єднати крижані кульки, що стосуються один одного. Виявилося, що чим нижча температура, тим менша сила потрібна для цього. Значить,на поверхні кульок є плівка рідини, товщина якої збільшується з температурою, коли вона набагато нижче температури плавлення. До речі, так вважав і Майкл Фарадей ще 1859 р., не маючи на те жодних підстав.

Лише наприкінці 1990-х років. Вивчення розсіювання на зразках льоду протонів, рентгенівських променів, а також дослідження за допомогою атомно-силового мікроскопа показали, що його поверхня не є впорядкованою кристалічною структурою, а скоріше схожа на рідину. Такого ж результату дійшли й ті, хто вивчав поверхню льоду за допомогою ядерного магнітного резонансу. Виявилося, що молекули води в поверхневих шарах льоду здатні обертатися з частотами, у 100 тисяч разів більшими, ніж ті самі молекули, але в глибині кристала. Отже, на поверхні молекули води вже не знаходяться в кристалічній решітці, – сили, які змушують молекули перебувати у вузлах гексагональної ґрат, діють на них лише знизу. Тому поверхневим молекулам нічого не варто «ухилитися від порад» молекул, що знаходяться в ґратах, і до такого рішення приходять відразу кілька поверхневих шарів молекул води. В результаті на поверхні льоду утворюється плівка рідини, що служить гарним мастилом при ковзанні. До речі, тонкі плівки рідини утворюються на поверхні не лише льоду, а й деяких інших кристалів, наприклад свинцю.

Товщина рідкої плівки зростає із зростанням температури, т.к. більше молекул виривається з гексагональних ґрат. За деякими даними, товщина водної плівки на поверхні льоду дорівнює близько 10 нм при –35 °С, збільшується до 100 нм при –5 °С.

Наявність домішок (молекул, відмінних від води) теж заважає поверхневим шарам утворювати кристалічні ґрати. Тому збільшити товщину рідкої плівки можна, розчинивши в ній якісь абодомішки, наприклад, звичайну сіль. Цим і користуються комунальні служби, коли борються взимку зі зледенінням доріг та тротуарів.