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

Мобильные данные Мобильные данные

Сегодня мы заливаем в машину не только топливо, но и гигабайты информации

GQ
«Подкаст — это интимная история». Алекс Дубас о феномене «анны аТмаховой» и подкастинге вообще «Подкаст — это интимная история». Алекс Дубас о феномене «анны аТмаховой» и подкастинге вообще

Радиоведущий Алексей Дубасов — о новой этике, жизни радио в эру подкастов

СНОБ
Физики предложили новую компьютерную модель взаимодействия нейтрино с темной материей Физики предложили новую компьютерную модель взаимодействия нейтрино с темной материей

Суперкомпьютерное моделирование взаимодействия нейтрино и темной материи

N+1
Обыкновенная генетта Обыкновенная генетта

Генетта — это редкость, экзотика. Чего это она вдруг «обыкновенная»?

Weekend
Как носить челку-занавеску родом из 90-х: примеры для вдохновления и советы по укдадке Как носить челку-занавеску родом из 90-х: примеры для вдохновления и советы по укдадке

Субкультуры 90-х в тренде, а вместе с тем и стрижка eBoy с челкой-занавеской

Playboy
Великое увольнение и тотальное выгорание: главные карьерные тренды 2021 года Великое увольнение и тотальное выгорание: главные карьерные тренды 2021 года

Главные события и тренды 2021 года на рынке труда

Forbes
Что такое метеозависимость и как ее лечить, советы врача Что такое метеозависимость и как ее лечить, советы врача

Для многих погода становится тяжелым испытанием из-за метеозависимости

РБК
Взять под контроль: что такое селфхарм и почему люди причиняют себе боль Взять под контроль: что такое селфхарм и почему люди причиняют себе боль

Когда самоповреждающее поведение может маскироваться под норму?

Forbes
Киллиан Мерфи. Человек в футляре Киллиан Мерфи. Человек в футляре

Прозрачным глазам и точеным скулам этого ирландца посвящена сотня веб-сайтов

Караван историй
Урбанистика Урбанистика

По мере роста городов, мегаполисы будущего представлялись пугающим местом

Esquire
Пассажирский сверхзвук: каким путем пойдут новые поколения? Пассажирский сверхзвук: каким путем пойдут новые поколения?

Коммерческая сверхзвуковая авиация сможет существовать, если изменится

Наука
«Теория разбитых окон» в здравоохранении: как порядок влияет на эффективность лечения «Теория разбитых окон» в здравоохранении: как порядок влияет на эффективность лечения

Как хаос влияет на здравоохранение и причем здесь теория разбитых окон

Inc.
Физики поискали бозонные облака с помощью гравитационных обсерваторий Физики поискали бозонные облака с помощью гравитационных обсерваторий

Физики установили ограничения на массы гипотетических легких бозонов

N+1
Почему все поддерживают Бритни Спирс и признают ее след в поп-культуре Почему все поддерживают Бритни Спирс и признают ее след в поп-культуре

Самое время пересмотреть видеографию Бритни в поисках новых старых идей

РБК
О чем он только думает О чем он только думает

Прочитать мысли мужчины или просто спросить его?

Cosmopolitan
Правило № 69: Вот тебе под ушки белые подушки Правило № 69: Вот тебе под ушки белые подушки

Алексей Ситников объясняет, что внутри у подушки безопасности — деньги

Tatler
«Для ветеранов виртуальной реальности это более глянцевый клон VRChat»: первые отзывы о метавселенной Horizon Worlds «Для ветеранов виртуальной реальности это более глянцевый клон VRChat»: первые отзывы о метавселенной Horizon Worlds

Журналисты называют платформу смесью из Roblox и VRCha

VC.RU
А теперь про здоровье зубов и десен! А теперь про здоровье зубов и десен!

Эти правила застрахуют от запущенного пульпита и других проблем с зубами

Собака.ru
Зачем fashion-индустрии машинное обучение Зачем fashion-индустрии машинное обучение

От персонализации до предсказания трендов: машинное обучение в fashion-индустрии

Популярная механика
Татьяна Буланова: «Все сама... и уважаю себя за это» Татьяна Буланова: «Все сама... и уважаю себя за это»

Оглядываясь назад, скажу, что можно было бы выглядеть и поприличнее

Коллекция. Караван историй
Думали, что это дисбактериоз: у меня нашли рак и удалили часть кишечника Думали, что это дисбактериоз: у меня нашли рак и удалили часть кишечника

Наша героиня о том, как ей удалось вылечить рак желудочно-кишечного тракта

Cosmopolitan
С ними лучше не связываться: 4 самых мстительных знака зодиака С ними лучше не связываться: 4 самых мстительных знака зодиака

Есть такие люди, которых лучше обходить за версту: и есть такие знаки зодиака

VOICE
Под какао и мандарины: 14 рождественских фильмов на Netflix Под какао и мандарины: 14 рождественских фильмов на Netflix

Киномарафон классических (а то и приторных) праздничных фильмов

Esquire
ТОП-5 крошечных домов 2021 года ТОП-5 крошечных домов 2021 года

Самые интересные крошечные дома 2021 года

Популярная механика
На все четыре стороны: как утекают ваши персональные данные На все четыре стороны: как утекают ваши персональные данные

Для чего вы указываете дату рождения и электронный адрес на сайтах?

Популярная механика
17 фильмов про суровую зиму и смерть во льдах 17 фильмов про суровую зиму и смерть во льдах

Если ты вдруг не знаешь, что посмотреть про холодную зиму

Maxim
Как открыть и содержать гостиницу для животных в Москве и сколько на этом можно заработать Как открыть и содержать гостиницу для животных в Москве и сколько на этом можно заработать

Зоогостиница: помещение, персонал и более миллиона рублей на открытие

VC.RU
Детский транспорт от «взрослых» автомобильных марок Детский транспорт от «взрослых» автомобильных марок

Детский транспорт по цене настоящего автомобиля

Playboy
Дивный новый мир: как устроены NFT-площадки по продаже диджитал-искусства Дивный новый мир: как устроены NFT-площадки по продаже диджитал-искусства

Как продвигать цифровое искусство в эпоху высокой конкуренции?

СНОБ
Что можно стирать в стиральной машине и как разобраться с правилами стирки вещей Что можно стирать в стиральной машине и как разобраться с правилами стирки вещей

Как стирать вещи, чтобы они не портились?

CHIP
Открыть в приложении