Исследователи из Университета Саарланда опровергли почти двухвековое представление физики о причинах скольжения льда, согласно новаторскому исследованию, опубликованному 8 августа в журнале Physical Review Letters. В работе, возглавляемой профессором Мартином Мюсером и его коллегами Ахрафом Атилой и Сергеем Сухомлиновым, показано, что причиной образования скользкого жидкого слоя, заставляющего людей падать на льду, являются молекулярные дипольные взаимодействия, а не давление или трение.

Это открытие ставит под сомнение устоявшуюся теорию, сформулированную в 1849 году Джеймсом Томпсоном, братом лорда Кельвина, который предположил, что давление и трение плавят поверхность льда. Это объяснение преподавалось студентам по всему миру более 150 лет, предлагая, что слой скольжения на льду образуется за счет веса тела, давящего через подошвы обуви.

Революционное понимание структуры льда

Немецкая исследовательская группа использовала компьютерное моделирование для изучения льда на молекулярном уровне и обнаружила, что скользкий слой образуется вследствие «холодной, смещением-обусловленной аморфизации», а не термического плавления. Когда лёд структурирован при температуре ниже нуля градусов Цельсия, молекулы воды выстраиваются в высокоупорядоченную кристаллическую решётку, где молекулы аккуратно выровнены друг с другом. 

По словам профессора Мюзера из Саарского университета, «Оказывается, ни давление, ни трение не играют особо значимой роли в формировании тонкого жидкого слоя на льду». Вместо этого, когда кто-то наступает на лёд, диполи в подошве обуви взаимодействуют с диполями на поверхности льда, нарушая упорядоченную кристаллическую структуру.

«В трёх измерениях эти диполь-дипольные взаимодействия становятся «фрустрированными»,» пояснил Мюзер, ссылаясь на физическую концепцию, при которой конкурирующие силы мешают системе достичь стабильной конфигурации. Взаимодействие между диполями во льду и в соприкасающихся материалах приводит к тому, что лед становится неупорядоченным, аморфным и, в конечном итоге, жидким на границе соприкосновения.

Последствия для экстремально холодных условий

Исследование также развенчивает ещё одно давно укоренившееся предположение о зимних видах спорта. Ранее учёные считали, что катание на лыжах при температуре ниже минус 40 градусов Цельсия невозможно, поскольку при таких низких температурах не может образоваться смазывающая жидкая плёнка.

«Дипольные взаимодействия сохраняются даже при чрезвычайно низких температурах. Примечательно, что жидкая плёнка всё же формируется на границе между льдом и лыжей — даже вблизи абсолютного нуля», — отметил Мюзер. Однако при столь экстремальных температурах эта плёнка становится более вязкой, чем мёд, поэтому катание на лыжах практически невозможно, несмотря на её наличие.

Полученные результаты имеют непосредственное практическое применение, выходящее за рамки академического понимания. По мнению исследователей, открытие может повлиять на проектирование снаряжения для зимних видов спорта, обуви, а также протоколов оценки риска для скользких поверхностей.