Отрывок из книги «Как ломаются спагетти и другие задачи по физике»

N+1Наука

«Как ломаются спагетти и другие задачи по физике»

Школьные задачи по физике похожи друг на друга и не вызывают особого восторга или интереса у большинства детей и взрослых. Но бывают и исключения. В книге «Как ломаются спагетти и другие задачи по физике» (издательство «Альпина нон-фикшн») физик-теоретик Игорь Иванов собрал задачи «повышенной интересности», каждая из которых выстроена вокруг одного физического вопроса. Все они сопровождаются авторским решением и послесловием, где приводятся ссылки на реальные исследования и публикации. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с задачей, посвященной явлению предплавления в поверхностном слое твердого тела.

Плавление начинается с поверхности

Свойства вещества на поверхности твердого тела не такие, как в его толще. Молекулы поверхностного слоя находятся в особых условиях: им не хватает соседей сверху. Из-за этого меняются свойства целого приповерхностного слоя. В результате в некотором диапазоне температур само кристаллическое тело еще остается твердым, но вблизи границы уже существует квазижидкий приповерхностный слой. Чем ниже температура, чем тоньше этот слой. Но, даже когда его толщина составляет всего одну молекулу, разупорядоченный слой все равно кардинально отличается от упорядоченного кристалла. На рис. 1 на примере льда условно показано, как изменяется поведение поверхности кристалла с ростом температуры от абсолютного нуля и до точки плавления.

Рис. 1. Схематичное изображение того, что происходит с поверхностью кристалла льда при повышении температуры от абсолютного нуля до температуры плавления. (A) тепловые колебания не нарушают структуру решетки; (B) в поверхностном слое (верхняя кромка) начинают появляться дефекты, но структура в целом держится; (C) поверхностный слой теряет порядок, начинается предплавление; (D) предплавление простирается все дальше вглубь кристалла, образуется жидкий приповерхностный слой, лед становится скользким; (E) вода. Адаптированное изображение из статьи [1]

Нетрудно догадаться, почему так происходит. Каждая молекула кристалла в среднем занимает определенный узел кристаллической решетки. Но за счет ненулевой температуры она постоянно дрожит вблизи своего идеального положения. Соседние молекулы сдерживают это дрожание; молекула как бы находится в потенциальной яме, которую создают соседние молекулы. Пока температура низкая, энергия молекул мала, а значит, небольшой, много меньше расстояния между молекулами, остается и амплитуда теплового дрожания. При повышении температуры дрожание усиливается, его амплитуда растет, и когда она становится выше определенного порога (примерно 10 процентов от межмолекулярного расстояния), молекула уже не может долго оставаться внутри этой ямы и стремится выскочить из нее. Так, в самом простом виде, начинается плавление.

Понятно, что чем слабее сдерживающая потенциальная яма, тем больше амплитуда тепловых колебаний при заданной температуре. Или же, если взглянуть на ситуацию иначе, тем ниже та температура, при которой колебания достигают критического размаха и происходит плавление. Приповерхностные молекулы чувствуют меньше соседей, они находятся в более слабой потенциальной яме, и именно поэтому плавление на поверхности начинается раньше, при более низкой температуре, чем в толще. Это явление получило название «предплавление».

Все, что сказано выше, — пока общие рассуждения. Они наверняка понятны каждому, но не дают ощущения «температурного масштаба» явления. Для этого уже нужно перейти от качественных рассуждений к числам и получить хоть какую-нибудь оценку того, при какой температуре начинается предплавление (то есть оценить, где на шкале температур лежит граница между зонами B и C на рис. 1). Конечно, это явление довольно сложное, и вряд ли в рамках простой задачи мы можем претендовать на что-то близкое к реальности. Но здесь упор делается вовсе не на реалистичность, а именно на минимальную оценку, на первый шаг на пути от общих слов к серьезной физике.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Какие духи дома почитались на Руси? Какие духи дома почитались на Руси?

Славяне-язычники верили, что свое божество есть у каждой реки, леса или луга

Культура.РФ
5 странных японских новогодних традиций 5 странных японских новогодних традиций

Что японцы делают на праздники — это просто уму непостижимо!

Maxim
Что такое метавселенная: когда ждать оживший киберпанк Что такое метавселенная: когда ждать оживший киберпанк

Что такое метавселенная и в чем преимущества по сравнению с обычным интернетом

CHIP
Когда вы на грани: что такое нервный срыв и как с ним справиться Когда вы на грани: что такое нервный срыв и как с ним справиться

Что такое нервный срыв, почему он возникает и как себя проявляет

Forbes
Обсерватория Пик-дю-Миди зафиксировала свободный тропосферный перенос микропластика Обсерватория Пик-дю-Миди зафиксировала свободный тропосферный перенос микропластика

В обсерватории на высоте 2877 метров был обнаружен микропластик

N+1
Что такое гиалуроновая кислота и как она работает Что такое гиалуроновая кислота и как она работает

Гиалуроновая кислота: как с ее помощью сделать кожу красивее и здоровее?

РБК
Биткоин как индикатор общественных настроений: почему российские инвесторы любят криптовалюты Биткоин как индикатор общественных настроений: почему российские инвесторы любят криптовалюты

Интерес российских инвесторов к биткоинам — показатель доверия к власти

Популярная механика
Курс на Сахалин Курс на Сахалин

Впервые стартовала чартерная программа по направлению Москва – Южно-Сахалинск

Отдых в России
Не как все Не как все

Небанальное путешествие по Краснодарскому краю

Лиза
Растяжка: 12 упражнений и советы тренера Растяжка: 12 упражнений и советы тренера

Растяжка: какие упражнения делать проще и полезнее всего

РБК
Кто обитает в Большом мусорном пятне: путешествие на горах пластика Кто обитает в Большом мусорном пятне: путешествие на горах пластика

Морские животные осваивают мусорный биом, созданный деятельностью человека

Популярная механика
55 м² 55 м²

Двухуровневая квартира архитектора Элины Смаиловой

AD
40 м² 40 м²

Для своей семьи Ольга Угур создала квартиру-трансформер

AD
Здесь все настоящее! Здесь все настоящее!

Поездка на Алтай – путешествие в мир разных ландшафтов, народов и культур

Отдых в России
Жена Моргенштерна Дилара — кто стоит за главным скандалистом российского шоу-бизнеса Жена Моргенштерна Дилара — кто стоит за главным скандалистом российского шоу-бизнеса

Каждый раз с Моргенштерном была его любимая Дилара

Maxim
Все на свете из пластмассы Все на свете из пластмассы

Яна Лукина, изучив все плюсы цифровой одежды, смотрит правде в глаза

Vogue
Глубоководный карьер: как добыть алмазы со дна океана Глубоководный карьер: как добыть алмазы со дна океана

«Погружение» горнодобывающих компаний на океанское дно

Популярная механика
Какие классы автомобилей существуют: азбука ревущих моторов Какие классы автомобилей существуют: азбука ревущих моторов

Классы автомобилей простым языком - от А до F.

Playboy
«Чайник» за рулем. Как решить проблему аварий с участием неопытных водителей «Чайник» за рулем. Как решить проблему аварий с участием неопытных водителей

В России, как известно, две беды, и часто они приходят парой

СНОБ
От Налы из Лос-Анджелеса до Степана из Харькова: 5 котов, которые стали звездами Instagram От Налы из Лос-Анджелеса до Степана из Харькова: 5 котов, которые стали звездами Instagram

Когда надоели привычные лица: кошки, которые стали звездами

Playboy
Ты меняешься, и он тоже: что надо знать про ПМС в 20, 30, 40 лет Ты меняешься, и он тоже: что надо знать про ПМС в 20, 30, 40 лет

ПМС в 20 лет отличается от ПМС в 40. Разбираемся, в чем отличия

Cosmopolitan
Чудеса Кроноцкого заповедника Чудеса Кроноцкого заповедника

Тундра – это не скучно

Отдых в России
Гнев и стыд: как героиня сериала «Я ненавижу Сьюзи» переживает крах семьи и карьеры Гнев и стыд: как героиня сериала «Я ненавижу Сьюзи» переживает крах семьи и карьеры

Чему стоит поучиться у актрисы, чьи интимные фото были слиты в сеть

Forbes
Круче «Секса в большом городе»: 10 действительно актуальных сериалов про женщин Круче «Секса в большом городе»: 10 действительно актуальных сериалов про женщин

Интересные и современные сериалы про женщин

Cosmopolitan
15 важнейших витаминов для женщин и продукты, в которых они содержатся 15 важнейших витаминов для женщин и продукты, в которых они содержатся

Чтобы организм оставался здоровым и сильным, ему не обойтись без витаминов

Cosmopolitan
От пионера доставки продуктов в России до потери лидерства и продажи: краткая история ритейлера «Утконос» От пионера доставки продуктов в России до потери лидерства и продажи: краткая история ритейлера «Утконос»

Начинал со «столов заказов», одним из первых отказался от офлайн-магазинов

VC.RU
Почему вам кажется, что все вокруг богаче, успешнее и привлекательнее Почему вам кажется, что все вокруг богаче, успешнее и привлекательнее

Не кажется ли вам порой, что люди в вашем окружении намного благополучнее вас?

GQ
Не просто цифра: как сказывается на отношениях разница в возрасте Не просто цифра: как сказывается на отношениях разница в возрасте

Разница в возрасте — это просто число, на которое можно не обращать внимания?

Cosmopolitan
«Пошлая Молли», BTS и Моргенштерн: Spotify назвал самых популярных музыкантов года в разных жанрах «Пошлая Молли», BTS и Моргенштерн: Spotify назвал самых популярных музыкантов года в разных жанрах

Самые популярные у россиян исполнители в Spotify

Esquire
Дело не в мести: почему женщины запрещают общаться экс-мужьям с детьми Дело не в мести: почему женщины запрещают общаться экс-мужьям с детьми

Кого ты представляешь, когда слышишь: «Бывшая не дает мне встречаться с сыном?»

Cosmopolitan
Открыть в приложении