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

За пригоршню «спасибо» За пригоршню «спасибо»

Ты замечал, что бесплатно кому-то помочь бывает приятнее, чем за деньги?

Maxim
Читай по губам: что форма губ говорит о твоем характере Читай по губам: что форма губ говорит о твоем характере

Как же вычислить характер человека по форме губ

VOICE
Ядерное движение оказалось важным для фотоионизации молекулы водорода Ядерное движение оказалось важным для фотоионизации молекулы водорода

Физики вынуждены отказаться от знаменитого приближения Борна-Оппенгеймера

N+1
Спасти Джорджа Флойда, или 5 компьютерных игр со странным сюжетом Спасти Джорджа Флойда, или 5 компьютерных игр со странным сюжетом

Кринжовые игры, от которых невозможно оторваться

Playboy
Разрушительный треугольник: как я потеряла и дружбу, и любовь Разрушительный треугольник: как я потеряла и дружбу, и любовь

Выбирать из двух близких людей того, кто тебе больше дорог, — невозможно

Psychologies
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
Знаки судьбы Знаки судьбы

Вещие сны и предчувствия – как научиться видеть и понимать эти сигналы?

Лиза
Сокращение населения Китая: как падает рождаемость, какие прогнозы Сокращение населения Китая: как падает рождаемость, какие прогнозы

Рассказываем о причинах сокращения населения Китая и о тенденциях этого процесса

ТехИнсайдер
Универсальный актёр Универсальный актёр

Николай Черкасов мог сыграть кого угодно

Дилетант
Maruv Maruv

Певица рассказала о желании получить Нобелевскую премию и полететь в космос

ЖАРА Magazine
Дети и роботы: почему робототехникой стоит заниматься с малых лет Дети и роботы: почему робототехникой стоит заниматься с малых лет

Важно с детства погружать детей во взаимодействие с роботами

Популярная механика
«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
Лига киберчемпионов Лига киберчемпионов

Как россияне впервые выиграли самый престижный турнир Dota 2 The International

Forbes
Грязь как полотно Грязь как полотно

Добро пожаловать в Dirty Car Art

Playboy
Любовь Аксенова – о новом сериале, российском кинематографе и «Наруто» Любовь Аксенова – о новом сериале, российском кинематографе и «Наруто»

Любовь Аксенова о проекте «12 Любличностей» и критическом отношении к работе

GQ
Небогатые жители Помпей могли позволить себе яйца куриц и куропаток Небогатые жители Помпей могли позволить себе яйца куриц и куропаток

Антропологи изучили состав найденной в Помпеях скорлупы от птичьих яиц

N+1
5 человек, которые много лет провели в тюрьме по ложным обвинениям 5 человек, которые много лет провели в тюрьме по ложным обвинениям

Из-за ошибок следователей и присяжных вместо одной трагедии мир получает две

Maxim
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
«Эгоцентризм и нытье». Вышел долгожданный альбом рэпера Oxxxymirona «Эгоцентризм и нытье». Вышел долгожданный альбом рэпера Oxxxymirona

Альбом Oxxxymirona «Красота и уродство» — самый громкий камбэк уходящего года

СНОБ
Телескопы с жидким зеркалом: как это работает Телескопы с жидким зеркалом: как это работает

Есть ли у «жидких ртутных телескопов» будущее?

Популярная механика
Одна вокруг света: города-призраки, золотые копи и грозный вулкан Одна вокруг света: города-призраки, золотые копи и грозный вулкан

149-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко: Колумбия

Forbes
Робинзонша: как изнеженная аристократка выжила на необитаемом острове Робинзонша: как изнеженная аристократка выжила на необитаемом острове

Французская аристократка Маргарет де Роберваль пережила приключение Робинзона

Cosmopolitan
Почему после еды хочется чего-нибудь вкусненького Почему после еды хочется чего-нибудь вкусненького

Почему после плотного обеда все равно хочется съесть закуску или десерт?

Популярная механика
Синий тигровый попугай Синий тигровый попугай

Но тут на нашем жизненном пути попался идеальный вариант: синий тигровый попугай

Weekend
Каменная дубрава Каменная дубрава

Откуда у тревел-фотографов и блогеров такой интерес к бухте Дубовая?

Отдых в России
Вечная история о насилии и отчуждении: «Заводному апельсину» — 50 лет. Вспоминаем великий фильм Стэнли Кубрика Вечная история о насилии и отчуждении: «Заводному апельсину» — 50 лет. Вспоминаем великий фильм Стэнли Кубрика

Как Кубрику удалось снять один из лучших фильмов об изоляции и бунте?

Esquire
«Превосходным руководителем можно стать вне зависимости от пола» «Превосходным руководителем можно стать вне зависимости от пола»

Женщины-CEO — о том, как решать вопрос с гендерным равенством в бизнесе

РБК
35 м² 35 м²

Бетонная квартира основателя студии Geometrium Алексея Иванова

AD
Археологи нашли в Армении погребение двух женщин-воинов Археологи нашли в Армении погребение двух женщин-воинов

Археологи нашли погребение всадниц-лучниц

N+1
Авторские приседания и гадание по ногтям: чем стал биохакинг в современном мире Авторские приседания и гадание по ногтям: чем стал биохакинг в современном мире

Какое отношение биохакинг имеет к тренингам духовного развития?

Forbes
Открыть в приложении