Несмотря на кажущуюся простоту, механизм, обуславливающий высокую степень скольжения льда, долгое время вызывал дискуссии. Недавние исследования физиков выявили, что трение, возникающее при движении по ледяной поверхности, вызывает ее незначительное нагревание. В результате формируется очень тонкий слой воды, выполняющий функцию смазки. Отдельные аспекты этого процесса предстоит более детально изучить.
Долгое время объяснение причины скольжения на льду оставалось одной из нерешенных задач в физике. Еще в XIX веке Майкл Фарадей высказал предположение о том, что на ледяной поверхности формируется тонкий слой жидкости, известный как слой предплавления, который и обеспечивает легкость скольжения. Позднее появилась иная версия: давление, оказываемое коньками или другими объектами, может снижать температуру плавления льда, приводя к его локальному таянию.
В двадцатом веке физики Фрэнк Боуден и Томас Хьюз высказали третью гипотезу – нагрев, вызванный трением. Эта концепция предполагает, что само скольжение по ледяной поверхности приводит к образованию тепла, которое тает тонкий верхний слой и создает смазывающий эффект за счет воды. Тем не менее, даже спустя десятилетия исследований, не удалось выработать общепринятого объяснения: различные эксперименты и компьютерное моделирование демонстрировали разные процессы.
Авторы новой работы, представленной на сервере препринтов Корнеллского университета, попробовали объединить все сценарии с помощью многоуровневого моделирования — метода изучения сложных систем, объединяющего модели разных масштабов или уровней детализации. Сначала смоделировали трение между льдом и стеклом на уровне отдельных атомов и молекул воды. Подход позволил выявить зависимость силы трения от температуры и скорости скольжения в микроскопических контактных областях.
Оказалось, что имеющихся симуляций было недостаточно. Причина заключалась в неверной зависимости трения от скорости, которую они демонстрировали: в модели трение увеличивалось с ускорением движения, в то время как реальные эксперименты показывали противоположную картину.
Для разрешения этого несоответствия в расчеты включили фактор тепловыделения. При движении объекта по ледяной поверхности контакт осуществляется не по всей площади, а только в небольших микродефектах. Интенсивное трение возникает именно в этих местах, сопровождаясь выделением тепла. Так, при скорости порядка 0,1 метра в секунду температура в зоне контакта способна значительно повыситься, достигая точки плавления льда.
Рост температуры вызывает более интенсивное формирование водного слоя на поверхности льда. Толщина этой пленки возрастает, а ее вязкость снижается, что значительно уменьшает сопротивление движению. Как следствие, на макроуровне трение уменьшается, что и наблюдается в ходе реальных экспериментов с использованием льда.
Сопоставление полученных результатов с лабораторными измерениями трения, а также с данными о движении камней в керлинге, продемонстрировало, что расчеты адекватно описывают наблюдаемые закономерности. Это позволило физикам установить, что скользкость льда обусловлена взаимодействием нескольких факторов, среди которых ключевое значение имеет нагрев, вызванный трением.
К тому же, формирование пленки может быть связано с верхним слоем воды и изменениями в структуре льда, однако отсутствие теплового эффекта не позволяет объяснить зависимость трения от скорости. Это открытие способствует примирению различных теорий и предлагает более полную картину одного из наиболее известных и дискутируемых физических явлений, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни.