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

Самые сомнительные сделки IT-гигантов Самые сомнительные сделки IT-гигантов

Сделки IT гигантов, которые и казались сомнительными, и являлись таковыми

Maxim
7 самых интересных мест в Солнечной системе, где может существовать жизнь 7 самых интересных мест в Солнечной системе, где может существовать жизнь

Солнечная система полна потенциальных мест, в которых могут выживать микробы

Популярная механика
50-летние и роскошные! 5 звезд, которые научат быть стильной в любом возрасте 50-летние и роскошные! 5 звезд, которые научат быть стильной в любом возрасте

Для героинь нашей подборки возраст — всего лишь цифра в паспорте

Cosmopolitan
Портрет новой российской науки: Иван Клочков — физик, который делает алмазы из газа Портрет новой российской науки: Иван Клочков — физик, который делает алмазы из газа

Физик Иван Клочков: наука — это возможность по-новому взглянуть проблему

Esquire
Как вы считаете? Как вы считаете?

О главных событиях 2022-го для каждого из нас рассказывает нумеролог

Grazia
Праздник вкуса Праздник вкуса

Как выбирать продукты для новогоднего стола

Лиза
Топ самых лучших новогодних и рождественских фильмов на все времена Топ самых лучших новогодних и рождественских фильмов на все времена

Небольшой список самых популярных новогодних фильмов и мультфильмов

Популярная механика
Настоящая революция в энергетике: термоядерный реактор впервые добыл больше энергии, чем затратил Настоящая революция в энергетике: термоядерный реактор впервые добыл больше энергии, чем затратил

Впервые в реакции термоядерного синтеза был достигнут рекордный выход энергии

Популярная механика
Автомобили и дома: 7 полноразмерных конструкций из LEGO Автомобили и дома: 7 полноразмерных конструкций из LEGO

Если вы думаете, что LEGO – это игрушка, вы ошибаетесь!

Популярная механика
Правила жизни Ли Куан Ю Правила жизни Ли Куан Ю

Правила жизни первого премьер-министра Сингапура Ли Куан Ю

Esquire
Гипервитаминоз Гипервитаминоз

Чем грозит слишком активное увлечение витаминами

Лиза
Что такое ураган? Сильнейшие бури за последние 5 лет Что такое ураган? Сильнейшие бури за последние 5 лет

Рассказываем про ураганы и самые мощные циклоны за последние 5 лет

Популярная механика
Звезды, которые нуждаются в блефаропластике: мнение пластического хирурга Звезды, которые нуждаются в блефаропластике: мнение пластического хирурга

Кому из голливудских звезд не помешало хирургическое вмешательство

Cosmopolitan
Гаргульи Гарибальди Гаргульи Гарибальди

Готический замок в селе Хрящевка притягивает тысячи туристов

Отдых в России
Технология быстрой зарядки: просто о важном Технология быстрой зарядки: просто о важном

Разбираемся в технологиях быстрой зарядки и их ключевых особенностях

CHIP
Как заставить себя заниматься спортом дома Как заставить себя заниматься спортом дома

Как не растерять активность и заниматься спортом дома?

Лиза
Почему вам кажется, что все вокруг богаче, успешнее и привлекательнее Почему вам кажется, что все вокруг богаче, успешнее и привлекательнее

Не кажется ли вам порой, что люди в вашем окружении намного благополучнее вас?

GQ
Artik:«Молодежь выбирает рэп» Artik:«Молодежь выбирает рэп»

Артем Умрихин: кого он ищет на смену солистке и почему надо чаще делать релизы

ЖАРА Magazine
Все не так, как на самом деле Все не так, как на самом деле

Не все то эко, что им называют. 10 наиболее живучих «зеленых» сказок

Playboy
Один из родителей изменяет. Что делать? Один из родителей изменяет. Что делать?

Как быть: раскрыть тайну или молчать во имя семейного счастья?

Psychologies
Пчелы запечатали ульи прополисом и пережили извержение вулкана Кумбре-Вьеха Пчелы запечатали ульи прополисом и пережили извержение вулкана Кумбре-Вьеха

Пчелы способны переживать опасные стихийные бедствия

N+1
Цветная капуста – настоящий суперфуд: вот 8 фактов, которые это доказывают Цветная капуста – настоящий суперфуд: вот 8 фактов, которые это доказывают

Суперфуды – это не только очень дорогие экзотические продукты

Cosmopolitan
Урбанистика Урбанистика

По мере роста городов, мегаполисы будущего представлялись пугающим местом

Esquire
Фильмы о разрушительной силе искусства Фильмы о разрушительной силе искусства

Страшно красивые истории

GQ
Maruv Maruv

Певица рассказала о желании получить Нобелевскую премию и полететь в космос

ЖАРА Magazine
Смотреть запоем Смотреть запоем

Елена Ванина о передаче «Давай поженимся!»

Weekend
Нужно ли возвращать подарки после расставания? Нужно ли возвращать подарки после расставания?

Как следует обращаться с подарками и финансами в отношениях?

Psychologies
Выловленная в конце жаркого сезона рыба повысила риск заражения чадских собак дракункулезом Выловленная в конце жаркого сезона рыба повысила риск заражения чадских собак дракункулезом

Новый и малоизученный путь заражения дракункулезом

N+1
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
Роботы, искусственный интеллект и мир будущего: что почитать любителям фантастики Роботы, искусственный интеллект и мир будущего: что почитать любителям фантастики

Книги, в которых уже можно угадать настоящее

Playboy
Открыть в приложении