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

Космические тоннели Космические тоннели

Существуют ли кротовые норы?

Популярная механика
Рост на 64%, ESG и новые сервисы: как меняется рынок лизинга Рост на 64%, ESG и новые сервисы: как меняется рынок лизинга

Об ESG-портфеле, проекте «Автомобиль по подписке» и о направлениях отрасли

Forbes
Грелка вместо объятий: как тепло помогает нам чувствовать себя в безопасности Грелка вместо объятий: как тепло помогает нам чувствовать себя в безопасности

Чтобы справиться с тревогой и страхом, достаточно… взять в руки что-то теплое

Psychologies
Банкет для шефа Банкет для шефа

Проведение банкета — всегда непростой процесс

Bones
69 м² 69 м²

В интерьере заказчика Мария Амелина поселила Спайдермена

AD
Как избавиться от прыщей: средства и уход за кожей при акне Как избавиться от прыщей: средства и уход за кожей при акне

Причины возникновения акне и варианты решения проблемы

РБК
По напиткам, которые мужчина заказывает в баре, можно узнать о нем всю подноготную! По напиткам, которые мужчина заказывает в баре, можно узнать о нем всю подноготную!

Скажи мне, что ты пьешь, и я скажу, кто ты!

Maxim
Дмитрий Чеботарев: Актерство для меня — бегство от скуки Дмитрий Чеботарев: Актерство для меня — бегство от скуки

Дмитрий Чеботарев — о том, почему нужно идти за мечтой и не бояться нового

СНОБ
7 веселых активити-игр для компании друзей на Новый Год 7 веселых активити-игр для компании друзей на Новый Год

Помнишь самые дурацкие конкурсы на свадьбах и юбилеях маминых подруг?

Playboy
Польза и вред какао: научные данные Польза и вред какао: научные данные

За что какао ценят диетологи и как правильно его пить?

РБК
Не могу пить как раньше: почему похмелье с возрастом становится тяжелее Не могу пить как раньше: почему похмелье с возрастом становится тяжелее

С годами алкогольные излишества даются тебе и твоему организму всё сложнее?

Cosmopolitan
Власти признались, что отключают дорожные камеры в снегопад. Когда и где Власти признались, что отключают дорожные камеры в снегопад. Когда и где

Как работают камеры, если водитель пересечет невидимые под сугробами линии

РБК
Считаем заново Считаем заново

Как планировать семейный бюджет в условиях нестабильности

Лиза
Рожденная в семье нацистов: как жила Одри Хепбёрн во время войны Рожденная в семье нацистов: как жила Одри Хепбёрн во время войны

Мало кто знает, но Одри Хепбёрн родилась в семье… нацистов. Да-да, именно так!

Cosmopolitan
Как снизить риски энергоперехода для России Как снизить риски энергоперехода для России

Нужна программа по привлечению частных инвестиций в производство зеленой энергии

Forbes
Доверие на автопилоте: почему человек верит машине больше, чем людям, — и не напрасно ли Доверие на автопилоте: почему человек верит машине больше, чем людям, — и не напрасно ли

Почему человек доверяет компьютеру и к чему это может привести?

VC.RU
Женская сексуальность: как развить и проявлять Женская сексуальность: как развить и проявлять

Женская сексуальность — это не внешняя красота и не размер груди

Psychologies
Опять начинается Опять начинается

Новая и лучшая жизнь не с понедельника и даже не с 1 января

Cosmopolitan
43 м² 43 м²

Цветовая гамма в квартире оттеняет живопись из коллекции хозяйки

AD
Больше, чем транспорт: как велосипед превратился в идейный символ Больше, чем транспорт: как велосипед превратился в идейный символ

Как люди развивали велосипед и превращали его в символ своих идей

Популярная механика
Сильная слабая девочка Сильная слабая девочка

В 21 год Яна Гладких стала самой юной артисткой труппы МХТ имени Чехова

OK!
Топ-5 самых длинных перелетов Топ-5 самых длинных перелетов

Самые продолжительные перелеты, которые совершались без единой посадки

Популярная механика
«Хочу выиграть в лотерею»: как загадывать желания, чтобы они сбывались «Хочу выиграть в лотерею»: как загадывать желания, чтобы они сбывались

Ритуал загадывания желаний в новогоднюю ночь имеет почти мистическую силу

Cosmopolitan
«Уравнение Бога: В поисках теории всего» «Уравнение Бога: В поисках теории всего»

Отрывок из книги «Уравнение Бога» — о квантовой теории

N+1
Нижний возраст Нижний возраст

Фотографическая экскурсия по Нижнему Новгороду

Esquire
Убытки, наркотики и драки: в клубе Haçienda зародился британский эйсид-хаус, но он приносил владельцам одни проблемы Убытки, наркотики и драки: в клубе Haçienda зародился британский эйсид-хаус, но он приносил владельцам одни проблемы

Haçienda — пример того, как предпринимателям не стоит управлять клубом

VC.RU
Учёные обнаружили, что за нашими тёмными и негативными мыслями скрывается вполне измеримый фактор Учёные обнаружили, что за нашими тёмными и негативными мыслями скрывается вполне измеримый фактор

Тёмный фактор личности — что это такое и как он влияет на нас?

Популярная механика
Хроники несбывшегося космоса: 6 книг о политике, войнах и приключениях среди звезд Хроники несбывшегося космоса: 6 книг о политике, войнах и приключениях среди звезд

Книги про космос — от масштабной космооперы до странной робинзонады

Популярная механика
Коротко о главном Коротко о главном

Сценарист и режиссер Надин Лабаки о ее коротком метре

Harper's Bazaar
Как заставить себя заниматься спортом дома Как заставить себя заниматься спортом дома

Как не растерять активность и заниматься спортом дома?

Лиза
Открыть в приложении