Почему лед скользкий? Оказывается, школьные учебники врали нам 200 лет

Школьникам по всему миру больше ста лет объясняли, что лёд становится скользким из-за давления и трения: наступил на обледеневшую плитку — подошва прижала лёд, немного растаял, вот и подскользнулся. Новая работа учёных Саарского университета показывает, что это неверно. По словам профессора Мартина Мюзера и его коллег Ахрафа Атила (Achraf Atila) и Сергея Сухомлинова, ключевую роль играет вовсе не давление и не трение, а взаимодействие молекулярных диполей в льду с диполями материала, который с ним соприкасается — например, подошвы обуви.

Эти результаты ломают традиционную картину, восходящую почти к двухсотлетней давности, когда брат лорда Кельвина, Джеймс Томсон, предположил, что помимо температуры на таяние льда влияют давление и трение. «Ни давление, ни трение не играют решающей роли в образовании тонкой жидкой плёнки на льду», объясняет Мюзер. Компьютерные моделирования показывают, что решающими становятся именно диполь-дипольные силы.

Чтобы понять, что происходит, достаточно вспомнить строение льда. Ниже нуля градусов молекулы воды выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решётку. Когда человек наступает на такой «строй», верхний слой нарушается не из-за механического давления, а из-за того, как ориентированы диполи в материале подошвы по отношению к диполям в льду. Возникает так называемая фрустрация — конкурирующие взаимодействия мешают системе сохранить порядок. На границе «лёд—подошва» кристаллическая структура расстраивается, становится аморфной и в итоге переходит в жидкое состояние.

Авторы опровергают и ещё один распространённый миф: будто кататься на лыжах при температурах ниже −40 °C невозможно, потому что смазывающая водяная плёнка под лыжей не образуется. Дипольные взаимодействия никуда не исчезают даже при экстремальном охлаждении — тонкая плёнка всё равно возникает вплоть до температур, близких к абсолютному нулю. Другое дело, что она становится настолько вязкой, что больше похожа на мёд: такую воду мы бы и не узнали, а катание в этих условиях практически нереально, хотя сама плёнка существует.

Для человека, поскользнувшегося зимой и получившего травму, мало утешения в том, какая именно физика виновата — давление, трение или диполи. Но для науки эта разница принципиальна: новое объяснение скользкости льда меняет многолетний учебниковый тезис и открывает путь к более точным моделям взаимодействия материалов с льдом. Научное сообщество уже обратило внимание на работу команды из Саарского университета, и последствия этого открытия ещё предстоит осмыслить.