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

Инновации для животных. Как выглядит современная ветеринария Инновации для животных. Как выглядит современная ветеринария

Как работают современные ветеринары?

СНОБ
Почему пора перестать бояться разговоров об онкологии и начать следить за своим здоровьем Почему пора перестать бояться разговоров об онкологии и начать следить за своим здоровьем

Что такое онкология и как она появляется?

GQ
Особенности профориентации подростков Особенности профориентации подростков

Если подросток мечтает стать практикующим психологом

СНОБ
Как Фрэнсис Хауген показала миру темную сторону Facebook и попала в рейтинг Forbes Как Фрэнсис Хауген показала миру темную сторону Facebook и попала в рейтинг Forbes

Бывшая сотрудница Facebook обнародовала внутренние документы компании

Forbes
Живые ёлки напрокат: сколько стоит реализовать экопроект и можно ли на нём заработать Живые ёлки напрокат: сколько стоит реализовать экопроект и можно ли на нём заработать

Как маркетолог Любовь Чернышева основала проект «Живые ёлки напрокат»

VC.RU
Очарование Южного Урала Очарование Южного Урала

Челябинская область – это край древних легенд, бесконечных гор и лесов

Отдых в России
Археологи нашли в Армении погребение двух женщин-воинов Археологи нашли в Армении погребение двух женщин-воинов

Археологи нашли погребение всадниц-лучниц

N+1
Полюбите нас тепленькими Полюбите нас тепленькими

Максим Семеляк о том, как новая чувствительность отменила стыдное

Weekend
Избавляют ли филлеры от сильной сухости губ: честный опыт бьюти-редатора Cosmo Избавляют ли филлеры от сильной сухости губ: честный опыт бьюти-редатора Cosmo

Насколько эффективна гиалуроновые филлеры в борьбе с сухостью губ

Cosmopolitan
60 м² 60 м²

Основатели бюро ToTaste решили оставить в квартире открытую кирпичную кладку

AD
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
От дутиков до чукка-бутс: 7 пар трендовой зимней обуви От дутиков до чукка-бутс: 7 пар трендовой зимней обуви

Если ты думаешь, какая зимняя обувь достойна твоих денег, мы тебе поможем

Playboy
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
Пика: история о долгожителе из мира холодного оружия Пика: история о долгожителе из мира холодного оружия

Среди древкового оружия пика – настоящий долгожитель

Популярная механика
Подушка безопасности: виды, функции и неисправности Подушка безопасности: виды, функции и неисправности

Как система безопасности автомобиля спасает водителя и пассажиров при аварии?

РБК
«Товарищ» Омарова. Как уроженка СССР Сауле Омарова чуть не стала финансовым контролером США «Товарищ» Омарова. Как уроженка СССР Сауле Омарова чуть не стала финансовым контролером США

Сауле Омарова отказалась от борьбы за пост финансового контролера США

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
Тренд сезона Тренд сезона

В Саратовской области активный туризм пользуется огромной популярностью

Отдых в России
Как купить автомобиль на торгах. Инструкция, риски и преимущества Как купить автомобиль на торгах. Инструкция, риски и преимущества

Как купить автомобиль на торгах, не потратив все нервы и силы?

РБК
Сила Казимира помогла создать энергетический диод Сила Казимира помогла создать энергетический диод

Для этого ее пришлось двухпараметрически модулировать

N+1
Изотопы свинца в белилах картин голландских художников указали на смену сырья Изотопы свинца в белилах картин голландских художников указали на смену сырья

Ученые провели изотопный анализ белил в картинах голландских художников

N+1
Топ-5 самых длинных перелетов Топ-5 самых длинных перелетов

Самые продолжительные перелеты, которые совершались без единой посадки

Популярная механика
Адмирал без танцев Адмирал без танцев

Как «отец народов» переписал биографию Нахимова

Дилетант
Таёжное проклятие Таёжное проклятие

В начале 1930-х в Кремль стали поступать тревожные сообщения с Дальнего Востока

Дилетант
Когда врачи станут больше доверять ИИ при лечении больных Когда врачи станут больше доверять ИИ при лечении больных

Как изменится медицина, если начнет внедрять решения на основе ИИ?

Популярная механика
В путешествие с ребенком: как не испортить себе отдых В путешествие с ребенком: как не испортить себе отдых

Время отпусков и путешествий. Встает вопрос: как быть с ребенком?

Psychologies
«Чего не сделали готы, то сделали скόты» «Чего не сделали готы, то сделали скόты»

Мраморы Элджина — жемчужина коллекции Британского музея

Дилетант
60 м² 60 м²

Дизайнеры ZZBuro позаботились не только о хозяевах квартиры, но и об их корги

AD
Кодинг только для девушек: зачем создавать женские образовательные программы в IT Кодинг только для девушек: зачем создавать женские образовательные программы в IT

Зачем создавать безопасную среду для женщин в IT и как это делать?

Forbes
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
Открыть в приложении