Всем детям, несомненно, нравится лед, который зимой дарит столько радости. Катание с горки, на коньках — красота! Откуда же появляется лед? Где льда больше всего? Почему лед скользкий и почему льдины плавают? Можно ли увидеть лед летом? На все эти и другие вопросы ответит наш рассказ про лед.

В природе лед встречается там, где холодно. И это неспроста. Оказывается, что такое известное вещество, как вода, при охлаждении до определенной температуры затвердевает и превращается в лед. Итак, лед – это замерзшая вода. Когда наступает зима, поверхность рек и озер покрывается льдом.

Почему лед не тонет в воде?
По какой причине мы наблюдаем лед именно на поверхности воды, а не где-то в глубине? Причина в том, что плотность льда меньше, чем у воды. За счет меньшей плотности лед легче воды и плавает на ее поверхности.

Изменение плотности во время превращения воды в лед порождает интересные эффекты. Например, стеклянную бутылку с водой, выставленную на мороз, разрывает на части, когда вода в бутылке превращается в лед. Поэтому следует быть осторожным при охлаждении напитков на морозе.

Почему лед скользкий?
А почему же лед скользкий? На этот вопрос знают ответ ученые-физики. Они объясняют, что при давлении на поверхность льда (когда мы наступаем на лед ногой или катимся по нему на коньках) лед немного плавится и возникает тонкая водяная пленка, которая и обеспечивает скольжение.

Свойство льда – скользкость — очень нравится всем детям. Как здорово зимой скатиться с высокой ледяной горки, покататься на катке на фигурных коньках или поиграть в хоккей!

Всегда ли тает лед?
В нашем сознании лед неразрывно связан с зимой. А есть ли места на нашей планете Земля, где лед не тает никогда? Да, такие места есть. Это ледники, которые находятся на вершинах высоких гор и в полярных областях Земли — в Арктике и в Антарктиде. Причем наибольшие запасы льда накоплены именно в ледниках Антарктиды, где толщина льда местами достигает четырех километров!

Ледники, соприкасающиеся с океаном, рождают айсберги. Айсберг – это часть ледника, отколовшаяся от него и свободно плавающая в океане. Айсберги представляют определенную опасность для мореплавателей.

Практическое использование льда
Способность льда накапливать холод люди давно научились использовать в практических целях. Еще в древние времена они устраивали искусственные ледники для хранения скоропортящихся продуктов. Такой ледник представлял собой деревянный сруб, врытый в землю и накрытый толстым слоем земли и дерна. Получившееся подземное помещение зимой наполняли льдом, который не таял даже летом.

Что такое град?
А может ли лед образоваться летом? Да, такое возможно, если в очень жаркий день влажные воздушные массы поднимутся на высоту выше 2,5 километров, где температура воздуха ниже точки замерзания воды. В таких условиях водяные капли замерзают и тогда на землю выпадает град – льдинки круглой или неправильной формы размером от горошины до голубиного яйца. Иногда градины бывают и более крупного размера. Град может представлять опасность для людей, для техники, для природы.

Россия — это страна, в любой точке которой температура зимой может опуститься ниже нуля. Это значит, что все, живущие здесь, не понаслышке знают о том, что по льду ходить нужно осторожно — дабы не поскользнуться и не шлёпнуться на пятую точку. Это в лучшем случае. Худшими занимается травматология, и, поверьте, зимой там не скучают.

Учёные сходятся во мнении, что «скользкость» вызывается очень тонким слоем воды на поверхности льда. Однако они не могут прийти к консенсусу относительно того, почему он там образуется. У большинства твердых материалов этот слой отсутствует, но лёд не является типичным представителем этого класса веществ. В этой связи учёные рассматривают варианты, связанные с давлением, трением и особыми способами взаимодействия молекул.

Традиционно считалось, что для того чтобы растопить верхнюю кромку льда, на неё надо немного надавить.

Это хорошо иллюстрируется с помощью коньков и может объясняться одним странным свойством H2O — лёд не такой плотный, как жидкая вода. Когда вы оказываете давление на лёд — например, лезвием конька — система взаимодействия стремится снизить давление, уменьшив объём. Так как вода компактнее, чем лёд, её точка плавления опускается, образуется жидкость, по которой, собственно, и скользит лезвие. После того как визжащий от восторга обладатель спортинвентаря проедет, вода вновь превращается в лёд.

Всё вроде бы очень логично, однако вопросы, тем не менее, остаются. Даже для более тяжёлого конькобежца точка плавления опускается всего на несколько градусов, и это означает, что очень холодный лёд должен оставаться замороженным всегда. Кроме того, люди, ходящие по льду в нормальной обуви и создающие гораздо меньшее давление на него, всё равно поскальзываются. Так что существует и другая возможность — трение обуви по льду создаёт достаточно тепла, чтобы расплавить его. Это действительно правда, но ведь лёд не перестаёт быть скользким, если стоять на нём неподвижно? Так что это объяснение также отвечает не на все вопросы.

Есть и третья гипотеза, основанная на наблюдениях Майкла Фарадея. Он прижал два кусочка льда и заметил, что они слиплись друг с другом. Это позволило ему сделать вывод, что жидкие прослойки на поверхности этих кусков перестали быть таковыми и стали твёрдым льдом, когда потеряли контакт с воздухом. Благодаря этому уже современные учёные выдвинули идею о поверхностном таянии — возможно, молекулы воды движутся на оболочке более свободно, так как ничто не придавливает их сверху. Из-за меньшей стабильности они обладают энергией, достаточной для создания жидкой прослойки даже при отрицательной температуре. Другими словами физика гласит, что поверхность льда скользкая, потому что лед скользкий по своей природе.

Ни одна из описанных гипотез не доказана и не опровергнута полностью, поэтому можно предполагать, что окончательное объяснение, которое, несомненно, будет когда-то получено, явит собой некую их комбинацию. А пока давайте помнить, что лёд — это не только травмпункты и отбитые мягкие ткани, но и множество замечательных видов спорта, веселье и богатырское здоровье. Зима — отличное время года, радуйтесь ей. И берегите себя.

Первый приходящий на ум ответ – потому что он гладкий. И правда, отсутствие повреждений и шероховатостей уменьшает трение между поверхностями. Однако именно лед, а не более экономичное синтетическое покрытие по сей день используют для катания на коньках.

Значительно снижает трение смазка между поверхностями. В машиностроении это – индустриальные масла, в кулинарии - растительные и животные жиры, а в катании на льду – вода. Однако температура замерзания воды известна каждому - это 00С, а кататься на коньках можно и в -100С, и в -200С. Казалось бы, воде взяться неоткуда.

Иногда появление тонкой пленки воды на ледяной поверхности объясняется довольно большим давлением полозьев на лёд. Действительно, под коньками взрослого человека массой около 70 кг создается давление, в 15 раз превышающее атмосферное. Однако даже такое усилие способно расплавить лед лишь при температуре -0,10С.


Еще одна распространенная версия объясняет появление воды на поверхности катка действием силы трения при движении полозьев по льду. Но эта теория умалчивает о том, почему мы скользим даже тогда, когда пытаемся устоять на месте. Трения в такие моменты не возникает, а слой воды, тем не менее, есть.

Рациональное объяснение было получено только в конце 90-х годов ХХ века при помощи AFM-микроскопии (микроскопии рельефа поверхностей). Ученые выяснили, что скорость колебания молекул льда, находящихся у поверхности, в 100 000 раз больше скорости колебаний во внутренних слоях. Это приводит к тому, что поверхность льда уже не имеет четкой кристаллической структуры и по строению скорее напоминает жидкость, чем твердое тело.


Получается, что даже при очень низких температурах на поверхности льда присутствует тончайшая водяная пленка, делающая его скользким. Но чем ниже температура окружающей среды, тем хуже скольжение, ведь слой воды становится все тоньше и тоньше.

Так, при 50С толщина водяной пленки - около 100 нанометров (т.е. одна десятитысячная миллиметра), при -350С – около 10 нм, а при -1700С образуется слой воды толщиной всего в одну молекулу. Скользить на коньках в этих условиях было бы довольно проблематично.

Для жителей холодных районов зима открывает перспективы веселого времяпрепровождения. Люди стремятся прогуляться на каток, скользят по льду замерзших водоемов и даже опасных скользких дорог и тротуаров. Но далеко не все из них задаются вопросом, почему же лед настолько скользкий.

Любопытный вопрос

Оказывается, ученые и сами до недавнего времени не знали ответа на данный вопрос. Новые исследования показали, что эта скользкость может быть вызвана "лишними" молекулами на самой поверхности льда.

Как выяснилось, старые теории уже не имеют смысла. Ранее считалось, что именно давление, оказываемое на лед, заставляет его быть скользким. Поскольку лед не настолько плотный, как вода, то его температура плавления снижается под действием высоких давлений. То есть верхний слой льда подтаивает под давлением вашего веса. Эта тонкая водяная прослойка между льдом и предметом, оказывающим на него давление, и вызывает скольжение. Но этот слой воды настолько тонкий, что его невозможно увидеть невооруженным глазом.

Опровержение

Ученые уже готовы опровергнуть теорию, которую годами считали справедливой, потому что другого объяснения у них просто не было. Теперь же они утверждают, что для подтаивания льда необходимо оказывать на него слишком большое давление, больше веса слона.

Исследователи опровергли и другую теорию, гласящую о том, что тонкий слой воды может создаваться во время трения, когда вы передвигаетесь по льду. Но его скользкость ведь ощущается все время - не только при движении, но и под действием первого прикосновения. К тому же не все ученые считают, что вода могла бы объяснить скольжение на льду.

Пролитая на пол вода может заставить поверхность скользить, но на полу не будет так сколько, как на льду. Нельзя пояснить это свойство ледяной поверхности и ее гладкостью. Стекло более гладкое, однако его поверхность не такая скользкая, в то время как шероховатый лед и снежная корка скользят порою значительней, чем самый гладкий лед.

Настоящая причина

Открытие удалось сделать двум братьям - Мише и Даниэлю Бонн. Свою статью, описывающую поверхность льда, они опубликовали в научном журнале. Вместо воды на его поверхности оказались свободные молекулы. А скольжение обеспечивается тем, что объект будто катится по множеству мелких шаров.

Сам лед имеет аккуратную закрепившуюся структуру, где каждая молекула прикреплена к трем другим. Но молекулы на его поверхности могут присоединяться только лишь к двум другим. Слабо связанные с остальной прочной поверхностью, они падают, отделяются друг от друга и прикрепляются к другим по мере своего перемещения.

Совсем не вода

Скольжение на льду обеспечивается прокатыванием этих молекул, однако они представляют собой вовсе не воду. Существуя при температурах, которые значительно ниже точки замерзания воды, они больше похожи на газ.

По словам профессора физики из Аляски, лед необычен тем, что мы сталкиваемся с ним близко к точке его плавления. Это единственный материал, который может иметь твердую, жидкую и газообразную фазу в обычный климатических условиях. Изучая лед, ученый испытывал его при температуре -40 °C. В таких условиях его поверхность становилась похожей на наждачную бумагу.

Эти наблюдения подтверждают открытие братьев Бонн. При значительном снижении температуры молекулы уже не имеют столько энергии, чтобы двигаться, разрушая и создавая связи. Поэтому поверхность льда становится шероховатой.

Лучшей температурой, обеспечивающей льду максимальное скольжение, считается -7 °C. Эта информация известна давно. Поэтому большинство катков в течение многих лет используют именно это значение для обеспечения лучшего скольжения по льду.

В первый раз, когда вы наступаете на ледовый каток, вы делаете это боязливо опасаясь падения. Но что делает лёд настолько скользким? Интересно, что ученые отвечают.

Физики верили, что лёд скользкий из-за воздействия силы тела. Это давление, которое они теоретизируют, увеличивает температуру плавления верхнего слоя льда.

Когда человек катается на льду, под давлением вызванном металлическим лезвием коньков, тает лёд. Этот тонкий слой воды позволяет коньку плавно скользить по поверхности. После прохождения льда колея снова замерзает.

Однако большинство ученых утверждают, что эта теория ошибочна. Лёд — загадочное тело, говорит Роберт М. Розенберг, профессор химии в Университете Лоуренса.

Исследователи обнаружили, что давление которое снижает температуру плавления льда, составляет лишь небольшое повышение градуса. Вместо этого они предложили, что трение конька заставляет лёд таять под ним.

Другие полагают что лёд естественно имеет слой жидкости, состоящий из нестабильных . Хотя эти молекулы стремятся к стабильности, они хаотично движутся по поверхности льда и создают скользкий слой.

Почему горячая вода замерзает быстрее?

Команда исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре считает это хорошей тайной почему горячая вода замерзает быстрее холодной. Это явление, которое кажется совершенно нелогичным, уже было замечено самим Аристотелем. Он рассказывал, что некоторые жители нынешней Турции распыляли доски своих заборов горячей водой на которые нельзя было влезть, потому что таким образом они замерзали быстрее.

Однако до 70-х годов он получил название, эффект Мембы. Эрасто Б. Мемба, который понял в школе, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее.

Но до сих пор ученым не удалось найти удовлетворительного объяснения. По их мнению, дело связано с тем, как энергия хранится в водородных связях между молекулами воды.

Как известно, молекулы воды имеют один атом кислорода и два атома водорода, все они связаны ковалентными связями (обмен электронами).

В молекулах воды атомы водорода также притягиваются к атомам кислорода в других соседних молекулах воды. Это называется водородной связью. Но в то же время молекулы воды в целом отталкиваются друг от друга.

Авторы исследования отмечают, что чем больше воды нагревается, тем больше расстояние между молекулами обусловлено силой отталкивания между ними. Это заставляет молекулы водорода растягиваться, так что энергия сохраняется. Эта энергия, по мнению исследователей, высвобождается, когда вода охлаждается, позволяя молекулам сблизиться.

Горячая вода имеет большее количество водородных связей, чем холодная вода. Поэтому она хранит больше энергии и больше выделяется при воздействии температур ниже нуля. Вот почему, говорят исследователи, она замерзает быстрее, чем холодная вода.