Что хорошо скользит по льду

Все катки
Подбор катка
- По району
  - Адмиралтейский
  - Василеостровский
  - Выборгский
  - Калининский
  - Кировский
  - Колпинский
  - Красногвардейский
  - Красносельский
  - Кронштадтcкий
  - Курортный
  - Московский
  - Невский
  - Петроградский
  - Петродворцовый
  - Приморский
  - Пушкинский
  - Фрунзенский
  - Центральный
- По типу
  - Крытые
  - Открытые
  - Ночные
  - Круглогодичные
Инфо
- Статьи
- Вопрос-ответ
Рейтинг катков

Со скольжением мы сталкиваемся каждый день. В принципе, скользить можно по любой гладкой поверхности и без коньков, но при помощи коньков на льду можно развивать такую же скорость, которую развивает легковой автомобиль. В чём же причина столь хорошего скольжения?

Возможно, некоторым из вас приходит мысль о совсем маленьком трении по причине того, что лезвия коньков очень узкие. Но, почему тогда коньки не скользят также хорошо по другим гладким поверхностям? Например, по наливному полу, кафелю или стеклу?

На самом деле, конёк скользит по тонкому слою воды, образующемуся под коньком. Но откуда же берётся этот слой воды, ведь на ощупь лёд сухой? Возможно, спросите вы. Давайте попробуем разобраться.

Вода – очень необычное вещество. От других веществ, кроме всего прочего, она отличается ещё и тем, что при превращении в лёд, вода расширяется – то есть начинает занимать больший объём, чем в жидком состоянии. Структура молекул льда напоминает ажурые соединения – между соединениями очень много воздуха. В частности благодаря этому, у снежинок так много различных форм и они получаются такими «пушистыми». Такая структура льда позволяет ему легко плавиться при довольно маленьком давлении. Человек в обычных ботинках никогда не сможет создать такого же давления на лёд, как человек, надевший коньки. Площадь подошвы очень большая и поэтому лёд под ботинками не плавится. А вот конём, своим узким лезвием создаёт достаточное давление, чтобы кристаллы льда начали опять превращаться в воду.

Дополнительную помощь в таянии льда оказывает усилие спортсмена, старающегося преодолеть силу трения. В тот момент, когда лезвие конька касается поверхности льда – он начинает плавиться. Слой воды получается очень тонким и частично высыхает, а частично превращается обратно в лёд. Это происходит практически сразу, после того, как конёк отрывается от поверхности. Именно поэтому на льду не остаётся никаких водяных следов после катания. Вода действует в качестве смазки и благодаря уникальной структуре льда человек может наслаждаться катанием на коньках.

Источник

Почему лед скользкий

Крайне очевидно, но тем не менее интересно: практически все зимние виды спорта держатся на одном факте – лед скользкий.

Низкое трение льда – это то, почему конькобежцы могут развивать скорость до 55 километров в час, почему фигуристы могут выполнять головокружительные пируэты, и почему 20-килограмовый камень для керлинга может скользить.

Но на протяжении большей части последних двух столетий ученые пытались объяснить то, почему лед скользкий и почему коньки могут так хорошо скользить по нему.

Но есть одно очевидное «но»: кататься на коньках на удивление сложно. Практически невозможно увидеть невооруженным глазом, что происходит, когда лезвие прорезает лед, потому что оно закрывает обзор. А слои льда, по которым скользят коньки, микроскопически тонкие.

Поэтому ученые должны полагаться на свои знания физики и химии для объяснения этого явления. Они предположили несколько объяснений, каждое из которых рассказывает о захватывающем свойстве льда.

Прежде всего самый очевидный вопрос: что такое лед?

Лед – это замерзшая вода. Но то, что происходит, когда вода становится твердой, делает это вещество необычным и крайне увлекательным для изучения.

Для большинства веществ во вселенной твердая фаза плотнее, чем жидкая. Когда материал достаточно охлаждается для образования твердых частиц, его молекулы связываются в узкие связки. Но со льдом происходит немного другое. Когда температура опускается ниже 0° С, водородные связи, которые связывают молекулы воды вместе, расширяют дополнительное пространство между молекулами воды, когда они замерзают.

И, как оказалось, благодаря этим знаниям, можно создать идеальный лед для того или иного вида спорта.

Как объясняет Smithsonian Magazine, лед, используемый на катках для олимпийских видов спорта, представляет собой очищенную воду, распыляемую на катках по одному слою за раз, чтобы создать поверхности безупречной структуры. Толщина и температура льда на Олимпиаде зависит от вида спорта. Фигуристы предпочитают лед, установленный близко к точке плавления при -3 °С для дополнительного сцепления и контроля. Хоккеистам нравится более холодный, жесткий, что делает поверхность более скользкой.

Твердый лед, как не удивительно, менее плотный, чем жидкая вода (именно поэтому айсберги плавают в океане). И для ученых это было ключом к выяснению, почему лед такой скользкий.

Гипотеза 1: давление заставляет лед таять

С 19-го века наиболее распространенным ответом на вопрос «почему лед скользкий» было «потому что лед тает под давлением».

Эта идея взята из работы Джеймса Томпсона, который в 1850-х годах разработал формулу, которая описывает очень странное свойство льда: то есть под высоким давлением лед превращается в воду. Это связано с тем фактом, что твердый лед менее плотный, чем вода. Если вы сжимаете лед, он становится менее устойчивым и тает.

Можно увидеть этот эффект с помощью очень простого эксперимента. Например, взять отрезок проволоки и привязать груз к каждому концу. Затем проложить провод через большой кусок льда. Давление проволоки прорежет чистую линию через лед (которая снова замерзнет, как только проволока пройдет сквозь. Это процесс, называемый « регенерация »).

Заманчиво думать, что именно так работают коньки – что давление, оказываемое тонким лезвием на лед, позволяет ему немного подтаивать, чтобы уменьшить трение и сделать скольжение лучше.

Как объяснил Кеннет Чанг из New York Times, человек весом в 68 кг, стоящий на лезвиях, может понизить температуру плавления льда только с 0 °С до -0,1 ° С, в то время как катки для фигурного катания обычно держатся около -3 °С. Проще говоря: фигуристы не могут оказать достаточного давления, чтобы растопить лед.

«Так что, хотя основная идея верна — вы можете растопить лед, создавая давление на него — цифры вообще не работают» – говорит Лиммер.

Таким образом, давление лезвия на лед не может объяснить, почему коньки скользят. Но как насчет трения? Разве скользящее движение коньков на поверхности не может генерировать достаточно тепла, чтобы растопить лед?

Это определенно часть ответа, но это не объясняет, почему лед так необычно скользит.

Гипотеза 2: трение растапливает лед

Что насчет трения? Разве скользящее движение коньков на поверхности не может генерировать достаточно тепла, чтобы растопить лед?

Лиммер объясняет, что трение «является эффектом второго порядка» в проблеме катания на коньках. Трение помогает нам понять, почему коньки могут скользить быстрее и быстрее при движении, но не то, почему они могут это с самого начала.

Гипотеза 3: поверх льда лежит очень маленький слой жидкой воды

За несколько лет до того, как Джеймс Томпсон объяснил, почему давление растапливает лед, физик Майкл Фарадей обнаружил еще одно удивительное свойство льда: тонкий жидкий слой на его поверхности.

Фарадей догадался, что кубики льда слипаются из-за окружающего их слоя жидкости. Когда эти слои жидкости встречаются, затем замерзают вместе.

Этот очень тонкий слой жидкости также делает лед более гладким. Но Фарадей не мог доказать свою гипотезу в то время. Наука об атомах и молекулах еще не была доступна, чтобы помочь ему в объяснении.

В 1987 году ученые подтвердили существование этого «квази жидкостного» слоя с помощью рентгенографии. И это очень, очень тонкий слой. Оценки показывают, что его толщина при -1 ° C составляет от 1 нанометра до 94 нанометров. Это примерно в 1000 раз меньше, чем бактерия.

Но, что интересно, по оценкам профессора Ван Леувена, было бы очень сложно кататься при температуре ниже -30 °C. Даже если на льду все еще будет крошечный слой жидкости, потребуется слишком много трения, чтобы произвести достаточно тепла, чтобы растопить что-либо еще. Кроме того, ниже этой температуры становится все труднее обнаружить крошечный слой жидкости на поверхности льда. Это было бы похоже на катание на гравии.

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.

На один из зубцов алюминиевого камертона была приклеена миниатюрная сфера из боросиликатного стекла. Вся система может быть весьма точно смоделирована как груз-пружинная система (гармонический осциллятор) большой жесткости K_T ≈ 102 кНм -1 и добротностью Q_T ≈ 2500. Затем электромагнитное возбуждение на частоте резонанса камертона f_T ≃ 560 Гц приводит к боковому колебательному движению сферы, параллельному поверхности льда (красная стрелка на 1а).

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.

Далее происходит боковое скользящее движение сферы, которая тем самым резко проскальзывает по льду с амплитудой α_T ～ 1–30 мкм и скоростью U = 2πα_Tf_T, обычно равной до 0.1 мс -1 .

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.

Также ученые использовали нормальные колебания (моды) высокого порядка самого камертона: сначала идет возбуждение первой моды, связанной с резонансной частотой f_N ≃ 960 Гц (K_N ～ 103 кНм -1 , Q_N ～ 200), и измерение соответствующей силы.

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

График 1с представляет собой латеральную силу трения F_T в виде функции тангенциальной скорости U, связанной с α_T в диапазоне 1…30 мкм. Сила трения не исчезает на низких скоростях, подобно трению на твердом теле. Кроме того, наблюдается слабое затухание силы трения в зависимости от скорости: F_T ∝ U -γ , где γ ～ 0.3 — 0.5.

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).

При температуре, близкой к точке плавления, сила трения постепенно увеличивается. Стоит отметить, что существует минимальная температура, при которой имеет место минимальная сила трения. Для данного эксперимента было установлено, что такая температура будет ниже -10 °C. Однако исследовать более низкие температуры (ниже -16 °C) на рассматриваемой экспериментальной установкой пока невозможно.

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).

Расчеты результатов наблюдений показали, что измеренная вязкость η_R при скольжении намного выше, чем типичная вязкость переохлажденной (ниже температуры кристаллизации) воды при той же температуре (оранжевая пунктирная линия на 3b). Вязкость постепенно затухает в зависимости от тангенциальной скорости, подобно силе трения: η_R,I ∝ U −α , где α ～ 0.3-0.5 (3b).

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! 🙂

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Источник