Хабрахабр

Почему лед скользкий: научный ответ на детский вопрос

Любопытство и желание понять окружающий мир сопровождают нас всю жизнь. 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. Сегодня мы с вами рассмотрим исследование ученых из Парижского университета, в котором они решили детальнее рассмотреть скользкую природу льда. Кто-то вырастает и эти вопросы становятся для него вторичными, а кто-то начинает искать ответы в физике, химии и других науках. Поехали. Какие интересные открытия сделали ученые, мы узнаем из их доклада.

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.

Это было установлено благодаря работам Майкла Фарадея. В основе скользкого льда лежит слой воды толщиной от 1 до 100 нм в зависимости от температуры. Однако ученые до сих пор спорят о природе этого слоя, механизме его возникновения и взаимодействия с другими объектами.

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. 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. А из-за низкой контрастности интерфейса применять стандартные методы интерферометрии попросту нет смысла.

К примеру, один метод показывает, что толщина пленки воды составляет 5-10 мкм, а другой — менее 50 нм. 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. А недавно проведенные измерения локальной температуры исключили полное плавление межфазной водной пленки при скольжении, что противоречит описанному выше объяснению (фрикционное таяние).

А причиной тому является неэффективность имеющихся методов изучения, потому в рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые предложили совершенно новый подход, позволяющий разделять различные физические компоненты. Каким бы простым и прозрачным на первый взгляд не казался лед, исследование его свойств оказалось сложным и запутанным.

Для этого был использован усовершенствованный сканирующий атомно-силовой микроскоп, который оборудовали трибометром с наноразмерной точностью. Ученые смогли одновременно изучить трение миллиметрового слайдера (зонда) на льду и соответствующие межфазные механические свойства пленки талой воды на наноуровне.

Подготовка к эксперименту


Изображение №1

Установка была расположена в холодной камере с контролируемой температурой от −16 °C до 0 °C и относительной влажностью 70–80%. На изображении показана экспериментальная установка, в которой содержится двухрежимный камертон атомно-силового микроскопа. В качестве исследуемых образцов использовались кусочки льда сантиметрового размера, полученные из деионизированной воды.

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

Колеблющаяся сфера контактирует с поверхностью льда посредством пьезоэлемента со встроенным датчиком положения нанометрического разрешения. Амплитуда αT и фазовый сдвиг ϕT сферы контролируются акселерометром, приклеенным к одному из зубцов.

1 мс-1. Далее происходит боковое скользящее движение сферы, которая тем самым резко проскальзывает по льду с амплитудой αT ~ 1–30 мкм и скоростью U = 2παTfT, обычно равной до 0.

Фазовая автоподстройка частоты поддерживает систему в резонансе, настраивая частоту возбуждения fT, а тангенциальная сила трения FF измеряется путем отслеживания силы возбуждения FemT, необходимой для поддержания постоянной амплитуды колебания при скольжении в соответствии с FF = (KT / QT)(FemT / FemT, — 1) x αT.

Также ученые использовали нормальные колебания (моды) высокого порядка самого камертона: сначала идет возбуждение первой моды, связанной с резонансной частотой fN ≃ 960 Гц (KN ~ 103 кНм-1, QN ~ 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 / αN (F*N — комплексная нормальная сила, действующая на сферу).

Другими словами, подобная установка позволяет одновременно проводить трибометрию и реологию контакта между образцом и зондом (лед и сфера). 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).

Свойства этих жидкостей ранее уже были установлены, потому когда экспериментальная установка позволила получить известные заранее результаты, это подтвердило ее работоспособность и эффективность. 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.).

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.

Данный процесс регулировки происходит за счет фиксации нагрузки на сферу, которая получается путем интегрирования градиента Z’N по глубине вдавливания. Нормальный консервативный импеданс Z’N был установлен на значении Z’N0 путем регулирования положения максимального вдавливания δ0. 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 представляет собой латеральную силу трения FT в виде функции тангенциальной скорости U, связанной с αT 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: FT ∝ U-γ, где γ ~ 0.3 — 0.5.

Это указывает на «твердоподобное» трение, коэффициент которого составляет µ = 0. Также было установлено, что при фиксированной скорости сила трения пропорциональна нормальной нагрузке. 015.

Следом были проведены такие же эксперименты, но в условиях разных температур, что позволило определить температурную зависимость силы трения (1d).

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


Изображение №2

Были измерены вещественная (Z’N) и мнимая (Z’’N) части механического импеданса, которые связаны с упругим и диссипативным откликом интерфейса. Следующим этапом исследования было установление механических свойств интерфейса при скольжении.

В данном случае наблюдается аналогичная силе трения (FF) тенденция: плато во время регулирования при Z’N0 с последующим плавным уменьшением во время отвода зонда. На изображении показаны измерения нормального механического импеданса при контакте зонда и образца, а также при отводе зонда от образца. Важным аспектом этого измерения является факт того, что импеданс изменяется линейно относительно расстояния отвода. Оценка диссипации была осуществлена путем построения обратной функции зависимости диссипативного импеданса 1/Z’’N от расстояния отвода зонда (2b). Только при значительном расстоянии отвода этот процесс немного нарушается, и возникают незначительные отклонения от линейного поведения.

Наблюдаемое линейное поведение 1/Z’’N в зависимости от d также указывает на то, что вязкость ηR не зависит от глубины вдавливания. Для неисчезающей скорости скольжения U промежуточная жидкость проявляет вязкую реакцию во время отвода зонда.

В соответствии с линейной зависимостью между hhyd и 1/Z’’N, толщина неподвижной пленки (h0) может быть вычислена из замеров модуля диссипации Z’’N. Стоит также отметить, что толщина гидродинамической пленки hhyd не фиксирована, а самостоятельно настраивается для достижения стационарного значения.

Следовательно, с помощью формулы выше можно вывести значение постоянной толщины пленки (2b). На изображении видно, что в режиме регулирования Z’’N достигает плато, выраженной как функция зависимости времени, скорости касания образца с зондом и нормальной нагрузки.

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. Можно также предположить, что гидродинамическая толщина будет суммой фактической толщины пленки и длины скольжения, если оно имеет место.

На видно как изменяется толщина пленки в зависимости от тангенциальной скорости. Проведенные эксперименты, в которых применялась разная температура, скорость скольжения и нагрузка, позволили практическим путем определить постоянную толщину пленки. Такая же слабая связь наблюдалась и в отношении толщины и нагрузки. Ранее считалось, что увеличение скорости приводит к непосредственному увеличению толщины, но на практике было установлено, что связи практически нет. Также наблюдения показали, что толщина неподвижной пленки примерно в 4 раза больше, чем у равновесных пленок в состоянии предплавления (светло-синий цвет на 2d). А вот температура уже имела выраженное влияние на толщину пленки (2d): толщина увеличивалась от 100 до 500 нм с ростом температуры.

Еще одним важным наблюдением во время экспериментов стало выявление вязкоупругой реологии межфазной пленки в момент скольжения.


Изображение №3

На графике показана инверсия упругого сопротивления 1/Z’N, которая демонстрирует линейное изменение с увеличением расстояния разделения d во время отвода зонда от образца.

Подобная картина вполне привычна для сложных жидкостей (полимеры и полиэлектролиты). 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%.

Вязкость постепенно затухает в зависимости от тангенциальной скорости, подобно силе трения: ηR,I ∝ U−α, где α ~ 0. Расчеты результатов наблюдений показали, что измеренная вязкость ηR при скольжении намного выше, чем типичная вязкость переохлажденной (ниже температуры кристаллизации) воды при той же температуре (оранжевая пунктирная линия на 3b). 5 (3b). 3-0.

Самое любопытное, что ηR очень сильно увеличивается при приближении к точке плавления и достигает значения в 2 раза большего, чем у воды при 0 °C ().


Изображение №4

Во-первых, межфазная водная пленка во время скольжения становится «вязкая, как масло» (слова ученых), т.е. Все вышеописанные наблюдения, как заявляют сами исследователи, подтверждают на удивление сложную реологию талой воды. Это наблюдение позволяет понять, как лед может обладать скольжением при учете того, что сама вода является крайне плохим смазочным материалом. ее вязкость в 2 раза выше, чем у обычной воды. 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

Уменьшение трения становилось более отчетливым при достижении точки плавления. И действительно, трение в сравнении с предыдущими опытами уменьшилось в 10 раз.

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). Было установлено, что уменьшение трения не связано с измененной гидродинамической толщиной пленки (5b).

Этот эффект усиливается при приближении температуры к точке плавления (). Скорее всего, тут имеет место снижение вещественной части вязкости для гидрофобного зонда по сравнению с гидрофильным.

Но применить подобные выводы к снегу нельзя, так как он является еще более сложным материалом. Проведенные опыты очень хорошо описывают различные аспекты влияния нанометровых процессов на макроскопическое трение льда. 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.

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. Использование нового метода исследования, куда более точного, нежели предшественники, позволило получить удивительные результаты.

Самосмазывающаяся природа льда наталкивает на создание и исследование мягких и фазово-переменных твердых веществ, которые могут выступать в роли противоизносных пленок. Ученые считают, что их труд несет не только теоретическую пользу, давая более широкое понимание окружающей среды, но и практическое применение.

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!

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4. Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4). 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?

6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2. 2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. Dell R420 — 2x E5-2430 2. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть