Квантовая механика помогла связать скользкость льда с приповерхностным трением

МОСКВА, 9 ноября. /ТАСС/. Физики из Китая и Европы впервые на уровне отдельных атомов просчитали то, как взаимодействуют друг с другом лед и скользящая по нему пластинка из стекла, что позволило им раскрыть ключевую роль трения в формировании водной пленки, помогающей предметам двигаться по ледяной поверхности почти без сопротивления. Об этом говорится в статье, опубликованной в научном журнале Physical Review Letters.

«Мы просчитали на квантовом уровне то, как взаимодействуют друг с другом пластины изо льда и стекла и построили на базе этих расчетов более крупную модель. Проведенные при ее помощи расчеты помогли нам разрешить споры о природе скользкой поверхности льда, которые идут в физическом сообществе уже много десятилетий, и раскрыть ключевую роль нагрева от трения в этом феномене», — пишут физики.

Как объясняют авторы этого открытия, научный сотрудник Университета Осло (Норвегия) Сигбьерн Бор и ученые, на настоящий момент у физиков нет однозначного объяснения, почему поверхность льда является очень скользкой. Первые теории на этот счет были сформулированы еще в начале XIX века английским физиком Майклом Фарадеем, который заметил, что на поверхности льда присутствует пленка из воды, облегчающая скольжение.

Механизмы ее возникновения вызывают споры среди физиков уже почти два столетия. Часть ученых считает, что пленка образуется в результате того, что давление предмета на лед снижает температуру его таяния, тогда как другие связывают ее наличие с действием трения, наличием необычно мобильных молекул воды на границе между льдом и внешней средой, фазовыми переходами и множеством других возможных процессов, заставляющих лед таять.

Квантовая проверка теорий.

Для разрешения этих диспутов Бор и ученые просчитали взаимодействия между льдом и лежащей на нем пластиной из стекла при помощи методов квантовой механики и специально разработанной для этого системы машинного обучения. Используя эти подходы, физики изучили, как взаимодействуют друг с другом атомы в кусках льда и стекла при разных температурах, скоростях движения, давлениях и прочих физических параметрах.

Ученые сопоставили результаты этих расчетов со всеми популярными теориями объяснения скользкости льда, и обнаружили, что лучше всего им соответствовала идея, выдвинутая еще в 1939 году британскими физиками Фрэнком Боуденом и Томасом Хьюзом. Они предположили, что в результате трения льда и движущихся по нему предметов выделяется достаточно много тепла, чтобы расплавить слой толщиной в несколько молекул, что обеспечивает скольжение.

Проведенные Бором и учеными расчеты показали, что этот процесс действительно происходит, однако при этом на поверхности льда изначально существует сверхтонкая прослойка из жидкой воды. Ее толщина увеличивается на порядок при трении льда и других материалов, что в сотни раз снижает ее вязкость и позволяет предметам скользить по ледовой поверхности без сопротивления. Это позволяет примирить теорию Боудена-Хьюза с другими гипотезами, которые были выдвинуты другими учеными в прошлом и текущем столетии, подытожили физики.