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

Господа, вы зверушки! Господа, вы зверушки!

Смешные фотожабы — в буквальном смысле, зоологическом

Maxim
7 причин есть морскую капусту каждый день 7 причин есть морскую капусту каждый день

Морская капуста — настоящий суперфуд

РБК
Как прошла первая дизайн-конференция Сбера SberDesign Conf Как прошла первая дизайн-конференция Сбера SberDesign Conf

Сбер провел свою первую глобальную конференцию по дизайну

РБК
Вещи на века Вещи на века

«Дедушкин» пиджак и стоптанные ботинки – апофеоз аристократизма!

Playboy
3 главных ошибки на первом свидании 3 главных ошибки на первом свидании

Что ты делаешь не так на первом свидании, с точки зрения девушек и психологов?

Maxim
Инвестиции в женщин: что такое «гендерные» облигации и можно ли на них заработать Инвестиции в женщин: что такое «гендерные» облигации и можно ли на них заработать

Могут ли гендерные облигации принести прибыль и повлиять на положение женщин

Forbes
«Самый масштабный кризис за всю историю»: почему палладий долго будет дороже платины «Самый масштабный кризис за всю историю»: почему палладий долго будет дороже платины

Можно ли заменить палладий платиной? Рассказывает вице-президент ГМК «Норникель»

Forbes
Самый странный бал: месть императрицы Марии Федоровны австрийскому двору Самый странный бал: месть императрицы Марии Федоровны австрийскому двору

Этот бал был местью за обиду, нанесенную бывшей принцессе

Cosmopolitan
Корона была ужасная, принцесса была прекрасная Корона была ужасная, принцесса была прекрасная

«Спенсер» Пабло Ларраина: леди Ди тошнит от Виндзоров

Weekend
Патриотическая песня Патриотическая песня

Как композитор Михаил Глинка дважды стал героем сталинской пропаганды

Дилетант
Счастья баловень безродный... Счастья баловень безродный...

Оценка Петром Меншикова была прозаической и трезвой: вороватый, да верный

Дилетант
Самые любопытные игры, в которые мы играли в 2021 году Самые любопытные игры, в которые мы играли в 2021 году

Пять игр 2021 года, на которые стоит обратить внимание

Esquire
Рагнар Кьяртанссон: Возвращение «Санта-Барбары» Рагнар Кьяртанссон: Возвращение «Санта-Барбары»

Художник Рагнар Кьяртанссон стал главной звездой Дома культуры ГЭС-2

СНОБ
«Мы должны быть уверены, что не отравим людей». Как изменилась жизнь рестораторов после введения обязательной маркировки продуктов «Мы должны быть уверены, что не отравим людей». Как изменилась жизнь рестораторов после введения обязательной маркировки продуктов

Доля фальсифицированных продуктов на российском рынке достигает 20%

СНОБ
Масло черного тмина: польза, противопоказания, научные данные Масло черного тмина: польза, противопоказания, научные данные

Полезные свойства тмина

РБК
Сердца каннибалов: чем удивила ближайшая к Земле пара гигантских черных дыр Сердца каннибалов: чем удивила ближайшая к Земле пара гигантских черных дыр

Ученые нашли следы крупнейшей катастрофы, произошедшей миллиарды лет назад

Forbes
FX-фактор. Тест-драйв нового Infiniti QX55 FX-фактор. Тест-драйв нового Infiniti QX55

Что может противопоставить немецким конкурентам новый Infiniti QX55

РБК
Водителей штрафуют, когда они просто стоят в пробке. Подробности и фото Водителей штрафуют, когда они просто стоят в пробке. Подробности и фото

Нередко появляются жалобы на штрафы за так называемое «стояние в пробке»

РБК
Можно ли управлять эмоциональным «похмельем»? Объясняет психолог Можно ли управлять эмоциональным «похмельем»? Объясняет психолог

Что такое эмоциональное «похмелье» и как им управлять?

Inc.
Христианский гимн, панк и факельное шествие. Как Германия проводила Ангелу Меркель с поста канцлера Христианский гимн, панк и факельное шествие. Как Германия проводила Ангелу Меркель с поста канцлера

Как прошла торжественная церемония в честь Ангелы Меркель

СНОБ
Как определить, психопат ли твой кот Как определить, психопат ли твой кот

Большинству котов присущи черты психопатического расстройства личности

Maxim
Тень отцов Тень отцов

Новогодние каникулы — волшебная пора, когда никто не работает и не учится

Men’s Health
Как 22-летняя девушка из села в Бурятии спасает урожаи с помощью спутников и ИИ Как 22-летняя девушка из села в Бурятии спасает урожаи с помощью спутников и ИИ

Основательница компании Aerospace-Agro рассказала, как сталкивается с сексизмом

Forbes
Самое большое летающее животное на Земле могло прыгать больше чем на два метра в высоту Самое большое летающее животное на Земле могло прыгать больше чем на два метра в высоту

Как именно кетцалькоатлю удавалось летать?

Популярная механика
Секрет скорости: как бегает гепард? Секрет скорости: как бегает гепард?

Почему гепард так быстро бегает

Популярная механика
Доказал, что миллиардеры не видят разницы между вином за $500 и $10 тысяч: история Руди Курниавана Доказал, что миллиардеры не видят разницы между вином за $500 и $10 тысяч: история Руди Курниавана

Как Руди Курниаван обманул миллиардеров более, чем на $35 млн?

VC.RU
Греф назвал главный барьер для «метавселенной имени Цукерберга» Греф назвал главный барьер для «метавселенной имени Цукерберга»

Герман Греф: чтобы реально воплотить метавселенные, потребуется много времени

Forbes
Юлия Харитонова: «Я изучаю все и везде!» Юлия Харитонова: «Я изучаю все и везде!»

Шеф-кондитер с 20-летним стажем о собственном бизнесе и настоящем шоколаде

Bones
Пора украшать дом к Новому году — вот несколько простых идей Пора украшать дом к Новому году — вот несколько простых идей

Если хочется праздничного настроения, а пластиковой мишуры не хочется

Esquire
Портрет новой российской науки: Дмитрий Фомичев — математик, который строит виртуальные ядерные реакторы Портрет новой российской науки: Дмитрий Фомичев — математик, который строит виртуальные ядерные реакторы

Математик Дмитрий Фомичев: самое классное в науке — видеть результат

Esquire
Открыть в приложении