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

7 вопросов Александру Сосланду, психотерапевту. О панике и карантине 7 вопросов Александру Сосланду, психотерапевту. О панике и карантине

О том, насколько опасны панические явления

Русский репортер
Между принтером и кофемашиной: 7 фильмов о рабочих романах Между принтером и кофемашиной: 7 фильмов о рабочих романах

Рабочие романы в кино: он посмотрел на нее поверх бумаг и увидел, как она хороша

Cosmopolitan
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
Мыли и снова пользовались: история презервативов с древности до наших дней Мыли и снова пользовались: история презервативов с древности до наших дней

Какими были презервативы в древности и какими они стали сегодня

Cosmopolitan
Зрелище за 3 млн рублей: как устроен сезонный бизнес организаторов фейерверков Зрелище за 3 млн рублей: как устроен сезонный бизнес организаторов фейерверков

Как готовятся к запуску фейерверка и что может пойти не так?

VC.RU
Искусственный интеллект и нейроморфные вычисления: второе дыхание Искусственный интеллект и нейроморфные вычисления: второе дыхание

Микрочипы постепенно приближаются к человеческому мозгу

Наука
Новая сексуальная жизнь в новом году Новая сексуальная жизнь в новом году

Полезны советы про секс или вредны — рассказывает семейный психолог

Psychologies
«Представляю секс с рабочим»: о чем говорят женские сексуальные фантазии «Представляю секс с рабочим»: о чем говорят женские сексуальные фантазии

Сексолог расшифровывает фантазии читательниц и объясняет, как их можно воплотить

Psychologies
Боязнь дырок. Учёные выяснили причины возникновения трипофобии Боязнь дырок. Учёные выяснили причины возникновения трипофобии

Что такое трипофобия и почему она возникает?

Популярная механика
«Веселое чтиво притягивает как магнит». Почему люди любят «дешевые» книги «Веселое чтиво притягивает как магнит». Почему люди любят «дешевые» книги

Не только о книгах, но и о тех, кто их покупает и читает

СНОБ
Анастасия Стоцкая: «Стараюсь из своей жизни исключать любую критику» Анастасия Стоцкая: «Стараюсь из своей жизни исключать любую критику»

Анастасия Стоцкая — о мюзиклах, рок-операх и хейтерах

Караван историй
Одно лицо! Знаменитости, у которых есть куклы-двойники Barbie Одно лицо! Знаменитости, у которых есть куклы-двойники Barbie

Знаменитые красавицы, у которых есть настоящие мини-копии.

Cosmopolitan
Победители конкурса «Лучшие оптические иллюзии 2021 года»: избранная десятка Победители конкурса «Лучшие оптические иллюзии 2021 года»: избранная десятка

Освободи себе день и разберись, как это работает.

Maxim
Ученые исследовали гамма-вспышки, сопровождающие молнии в атмосфере Ученые исследовали гамма-вспышки, сопровождающие молнии в атмосфере

Ученые построили модель развития наземных гамма-вспышек

Популярная механика
Трагические судьбы известных моделей: жуткие убийства и загадочные исчезновения Трагические судьбы известных моделей: жуткие убийства и загадочные исчезновения

Вспоминаем самые жуткие истории из жизни моделей

VOICE
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
История пузырьков на упаковочной пленке История пузырьков на упаковочной пленке

Долгая история лопающегося полиэтилена

Esquire
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
Стелла Ильницкая. Верю в чудо Стелла Ильницкая. Верю в чудо

Если приглядеться, жизнь — это одно сплошное чудо, которого мы часто не замечаем

Коллекция. Караван историй
Чек-лист удачного развода Чек-лист удачного развода

Снижаем градус нервного напряжения во время развода

GQ
Удивительная лазерная скульптура: Мартин Томски Удивительная лазерная скульптура: Мартин Томски

Лондонский художник Мартин Томски создает сказочные картины своими лазерами

Популярная механика
Суперсемейка Суперсемейка

Men's Health выяснил рецепт счастья у Алексея Столярова и Ксении Шойгу

Men’s Health
65 м² 65 м²

Дизайн квартиры от BHD Studio начался с большой яркой картины

AD
Водолей – холодный, Рыбы – тихие. Самый темпераментный знак зодиака – кто это? Водолей – холодный, Рыбы – тихие. Самый темпераментный знак зодиака – кто это?

Какие знаки зодиака отличаются страстным, ярким темпераментом

Cosmopolitan
Зуб на зуб: 7 звезд, которые превратили неидеальную улыбку в свою фишку Зуб на зуб: 7 звезд, которые превратили неидеальную улыбку в свою фишку

Звезды, которые не подчинились моде на голливудскую улыбку

Cosmopolitan
Можно ли покрыть Сахару солнечными батареями? Можно ли покрыть Сахару солнечными батареями?

Может ли пустыня стать идеальным местом для производства солнечной энергии?

Популярная механика
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
Трансформация Facebook: есть ли жизнь в метавселенной? Трансформация Facebook: есть ли жизнь в метавселенной?

Корпорация Meta делает ставку на развитие виртуальной реальности

Эксперт
«Я — это ты, ты — это я»: 7 сериалов про подмену личности «Я — это ты, ты — это я»: 7 сериалов про подмену личности

Лихо закрученные сериалы, в которых герои выдают себя за другого

Cosmopolitan
«Секс в большом городе» уже не тот? Образы звезд на премьере продолжения сериала «Секс в большом городе» уже не тот? Образы звезд на премьере продолжения сериала

Как менялся стиль звезд сериала «Секс в большом городе» от премьеры к премьере

Cosmopolitan
Открыть в приложении