Минус сорок — а лёд всё равно гладкий: открытие показывает, что скольжение рождается не от тепла

Почти два столетия считалось, что лёд становится скользким из-за трения и давления, однако новое исследование предлагает совершенно иной взгляд. Учёные показали, что поверхность льда может оставаться скользкой даже при температуре около минус сорока градусов по Фаренгейту, не переходя в жидкую фазу. Эти выводы заставляют пересмотреть классические объяснения, знакомые по учебникам. Об этом сообщает Earth.com.

Как формируется скольжение льда по-новому

Исследовательская группа под руководством профессора Саарского университета Мартина Мюзера изучила взаимодействие микроскопических поверхностей и пришла к выводу, что дело не в тепле, а в структуре самих молекул воды.

В твёрдом состоянии диполи молекул располагаются в упорядоченной кристаллической решётке, и поверхность приобретает стабильную электрическую ориентацию.

Когда к льду прикасается другой материал — например, ботинок или лыжа, — заряженные группы на контакте нарушают эту структуру и "разворачивают" молекулы на поверхности.

Экспериментальные данные давно вызывали сомнения в старых теориях: измерения показывали, что лёд почти не нагревается при быстром скольжении. Давление конька при минус четырёх градусах по Фаренгейту уже не способно вызвать плавление микрослоя воды.

Именно поэтому механизм, основанный на электрическом взаимодействии и изменении структуры поверхности, оказался более реалистичным.

Что показали компьютерные модели

Для проверки гипотезы команда провела молекулярно-динамические расчёты: они моделировали движение блоков льда при температурах от примерно 10 кельвинов до значений, близких к нулю.

В точках соприкосновения кристаллическая решётка частично разрушалась, превращаясь в дезорганизованные участки, напоминающие сверхвязкую жидкость.

При продолжении скольжения эти зоны расширялись, образуя тонкий, но стабильный слой, обеспечивающий скольжение даже в условиях сильного холода.

Важная деталь: лёд в модели не плавился, а переходил в аморфное состояние — упорядоченная структура смещалась, и молекулы получали больше свободы.

Каждый последующий микросдвиг увеличивал толщину этого дисперсного слоя, а при экстремально низких температурах он становился особенно вязким. Именно поэтому движение по очень холодному снегу или льду ощущается медленнее — слой, обеспечивающий скольжение, остаётся, но превращается в "густую" плёнку.

Модели также показали, что разные поверхности ведут себя по-разному. Гладкие гидрофобные материалы пропускают аморфный слой легче, а более "липкие" поверхности увеличивают трение. В некоторых симуляциях коэффициент трения достигал значений порядка 0,01 — сравнимых с хорошо отполированным металлом, скользящим по льду.

Практические выводы и значение работы

Результаты исследования меняют понимание поведения льда на дорогах, спортивных трассах и природных объектах. Аморфный слой, формирующийся без нагрева, показывает, что скольжение не исчезает при экстремальном холоде, но изменяется его характер: сопротивление растёт, а скорость скольжения уменьшается.

Такой механизм важен для проектирования лыж, коньков и зимних шин — материалы можно подбирать так, чтобы лучше взаимодействовать с неупорядоченным слоем.

Полученные данные также имеют значение для климатологии: похожие процессы могут определять скольжение ледников или поведение ледяных оболочек на спутниках планет.

Учёные подчёркивают, что природа льда намного сложнее, чем кажется. Существуют десятки его кристаллических фаз, и взаимодействие диполей может играть важную роль в каждой из них.

Работа не отменяет прежние теории — нагрев, давление и поверхностное расплавление всё ещё могут влиять на скольжение, — но новое объяснение дополняет их. Чтобы понять вклад каждого механизма, необходимы дальнейшие эксперименты при разных температурах, скоростях и на неровных поверхностях.