Почему мы скользим на льду: физики опровергли столетние представления

На иллюстрации показано, что происходит на поверхности льда при контакте с другим объектом, таким как лыжи, коньки или подошвы обуви: ранее упорядоченная кристаллическая структура молекул воды внезапно нарушается. Автор: AG Mueser

Более ста лет школьники по всему миру учили, что лёд тает под давлением и трением. Когда вы выходите на обледеневший тротуар зимой, можно поскользнуться из-за давления вашего веса через подошву (ещё тёплой) обуви. Но оказывается, это объяснение неверно.

Новое исследование, проведённое в Саарландском университете, показывает, что причиной скользкости льда является не давление или трение, а взаимодействие между молекулярными диполями во льду и на контактирующей поверхности, например, подошве обуви.

Работа опубликована в журнале Physical Review Letters. Это открытие профессора Мартина Мюзера и его коллег Ахрафа Атилы и Сергея Сухомлинова опровергает парадигму, установленную почти два века назад братом лорда Кельвина, Джеймсом Томпсоном, который предположил, что давление и трение наряду с температурой способствуют таянию льда.

«Оказывается, ни давление, ни трение не играют особо значительной роли в формировании тонкого жидкого слоя на льду», — поясняет Мюзер.

Вместо этого компьютерное моделирование команды показывает, что молекулярные диполи являются ключевыми факторами образования этого скользкого слоя, который так часто заставляет нас терять равновесие зимой. Но что такое диполь? Молекулярный диполь возникает, когда у молекулы есть области частичного положительного и частичного отрицательного заряда, что придаёт молекуле общую полярность, направленную в определённую сторону.

Чтобы лучше понять происходящее, полезно знать структуру льда. Ниже нуля градусов по Цельсию молекулы воды (H₂O) выстраиваются в высокоупорядоченную кристаллическую решётку, где все молекулы аккуратно выровнены друг с другом, создавая твёрдую кристаллическую структуру.

Когда кто-то наступает на эту упорядоченную структуру, верхний слой молекул разрушается не под действием давления или трения обуви, а из-за ориентации диполей в подошве обуви, взаимодействующих с диполями во льду. Ранее упорядоченная структура внезапно становится беспорядочной.

«В трёх измерениях эти диполь-дипольные взаимодействия становятся «фрустрированными»», — говорит Мюзер, ссылаясь на концепцию в физике, где конкурирующие силы препятствуют достижению системой полностью упорядоченной стабильной конфигурации.

На микроскопическом уровне силы между диполями во льду и в материале подошвы нарушают упорядоченную кристаллическую структуру на границе раздела лёд-обувь, вызывая беспорядок, аморфность и в конечном итоге жидкое состояние льда.

Помимо опровержения почти 200-летних общепринятых знаний, исследование команды также развенчивает другое заблуждение.

«До сих пор считалось, что кататься на лыжах при температуре ниже –40°C невозможно, потому что слишком холодно для образования тонкой смазывающей жидкой плёнки под лыжами. Это тоже, оказывается, неверно», — поясняет профессор Мюзер.

«Дипольные взаимодействия сохраняются при экстремально низких температурах. Примечательно, что жидкая плёнка всё ещё формируется на границе раздела лёд-лыжа — даже близко к абсолютному нулю», — говорит Мюзер.

Однако при таких низких температурах плёнка более вязкая, чем мёд. Мы вряд ли признали бы её водой, и кататься на лыжах по ней было бы практически невозможно — но плёнка тем не менее существует.

Для того, кто лечит травму из-за падения зимой, едва ли важно, виноваты ли давление, трение или диполи. Но для физики это различие важно. Последствия этого открытия исследовательской группы Саарланда ещё разворачиваются, и научное сообщество принимает к сведению.

Больше информации: Achraf Atila et al, Cold Self-Lubrication of Sliding Ice, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/1plj-7p4z

Источник: Saarland University