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

Как наладить контакт с партнером через прикосновения и интимную близость Как наладить контакт с партнером через прикосновения и интимную близость

Физическое удовольствие играет не последнюю роль в удовлетворенности отношениями

Psychologies
Хобби-терапия Хобби-терапия

Как хобби помогают восполнить внутреннюю энергию?

Добрые советы
5 рождественских фильмов, которые вы вряд ли смотрели 5 рождественских фильмов, которые вы вряд ли смотрели

Наша подборка с рождественскими фильмами

GQ
Турецкие ихтиологи переоткрыли «вымершую» рыбу спустя почти 50 лет Турецкие ихтиологи переоткрыли «вымершую» рыбу спустя почти 50 лет

Ихтиологи переоткрыли редкую рыбу — батманского гольца

N+1
Биоархеологи нашли древнекитайскую женщину-карлика Биоархеологи нашли древнекитайскую женщину-карлика

Женщина-карлик из могильника Бэйшэньцзяцяо в городе Сиань

N+1
Палеогенетики обнаружили важность родства при захоронениях в длинном кургане раннего неолита Палеогенетики обнаружили важность родства при захоронениях в длинном кургане раннего неолита

Палеогенетики исследовали останки захороненных в кургане эпохи раннего неолита

N+1
Blini и другие Blini и другие

Северная кухня, как и любая другая, не знает границ

Bones
Кричащий кэмп: каким получился второй сезон «Эмили в Париже» Кричащий кэмп: каким получился второй сезон «Эмили в Париже»

Продолжение сериала о жизни легкомысленной сммщицы в Париже

РБК
«Поколение сэндвича»: почему женщины старше 45 лет живут ради других «Поколение сэндвича»: почему женщины старше 45 лет живут ради других

Тем, кто заботится одновременно и о детях, и о родителях, приходится тяжело

Cosmopolitan
Сердца каннибалов: чем удивила ближайшая к Земле пара гигантских черных дыр Сердца каннибалов: чем удивила ближайшая к Земле пара гигантских черных дыр

Ученые нашли следы крупнейшей катастрофы, произошедшей миллиарды лет назад

Forbes
Робот лепит роботят. Угрожают ли человечеству созданные им организмы Робот лепит роботят. Угрожают ли человечеству созданные им организмы

«Живые роботы», способные размножаться — технология будущего или конец света?

СНОБ
42 м² 42 м²

Квартира со встроенными системами хранения по проекту бюро А3

AD
Избегайте этих 5 фраз, когда просите о повышении зарплаты, — эксперт по переговорам Избегайте этих 5 фраз, когда просите о повышении зарплаты, — эксперт по переговорам

Начать разговор о повышении зарплаты часто бывает очень сложно

Inc.
ЦСКМС и Арктик СПГ 2: как в Заполярье строят плавучие заводы для сжижения природного газа ЦСКМС и Арктик СПГ 2: как в Заполярье строят плавучие заводы для сжижения природного газа

Суровые условия Арктики окупаются её богатствами

Популярная механика
«Важно каждые пять лет менять ракурс»: художник Нина Котел о современном искусстве «Важно каждые пять лет менять ракурс»: художник Нина Котел о современном искусстве

Художница Нина Котел — о роли искусства, о свободе и любви

Forbes
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
За сколько можно похудеть так, чтобы все заметили? За сколько можно похудеть так, чтобы все заметили?

Какие сроки для похудения реальны – недели, месяцы, годы?

Cosmopolitan
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
5 пунктов из ПДД, которые не помнит почти никто: самые сложные вопросы 5 пунктов из ПДД, которые не помнит почти никто: самые сложные вопросы

5 самых сложных дорожных ситуаций, правильные действия в которых помнят единицы

Популярная механика
Свободный человек: как Дмитрий Зимин изменял мир для себя и других Свободный человек: как Дмитрий Зимин изменял мир для себя и других

Главным сюжетом жизни Дмитрия Зимина было постоянное преодоление

Forbes
Самые нелепые автомобили всех времен и народов Самые нелепые автомобили всех времен и народов

Некоторые машины из этой подборки так уродливы, что даже прекрасны

Maxim
Букет в цветочном горшке Букет в цветочном горшке

Красивые комнатные растения с недолгим сроком жизни

Наука и жизнь
12 простых и надежных способов позаботиться о себе в разгар дня 12 простых и надежных способов позаботиться о себе в разгар дня

Как делать что-то полезное для своего тела и психики без отрыва от работы

Psychologies
Больше, чем транспорт: как велосипед превратился в идейный символ Больше, чем транспорт: как велосипед превратился в идейный символ

Как люди развивали велосипед и превращали его в символ своих идей

Популярная механика
Россия из подполья Россия из подполья

Как Юрий Мамлеев исследовал потусторонние бездны и нашел утопию

Weekend
Археологи нашли на Урале погребение шаманки со связанными ногами Археологи нашли на Урале погребение шаманки со связанными ногами

Памятник относится ко второй половине IV века до нашей эры

N+1
«Как иронично, что фирме в сфере психического здоровья плевать на психическое здоровье собственных работников» «Как иронично, что фирме в сфере психического здоровья плевать на психическое здоровье собственных работников»

Сотрудники Spring Health жалуются на соучредительницу Эйприл Кох

VC.RU
Устройство паровой машины: из чего состоит знаменитая машина из стимпанка Устройство паровой машины: из чего состоит знаменитая машина из стимпанка

Сегодня мы расскажем об устройстве паровой машины

Популярная механика
Чем нынешние исследователи отличаются от тех, что были раньше Чем нынешние исследователи отличаются от тех, что были раньше

Кто же такой исследователь в современной реальности?

Популярная механика
В каких продуктах много витамина К В каких продуктах много витамина К

Чем опасен дефицит витамина К и как его восполнить

РБК
Открыть в приложении