Скользкая тема

Вращающиеся камни на льду скользят по дуге — вот уже пятьсот лет люди используют это для игры в керлинг. После броска спортсмены еще и натирают щетками лед перед камнем, корректируя его траекторию. Технику керлингисты отточили до совершенства. Да и технологии прогрессируют — щетки становятся легче и эффективнее. А вот наука — пока догоняет практику. Физики до сих пор не уверены, что правильно понимают, как скользят камни для керлинга и коньки.

Задача керлингиста — прикатить по льду 20-килограммовый гранитный камень в нужную точку ледяной площадки. Стандартная температура льда для керлинга около −5 градусов Цельсия, такой лед — скользкий почти настолько, насколько это вообще возможно; мы, правда, установили это эмпирически, а не вычислили.

Лед также сбрызгивают водой перед началом игры, а дно камня не полируют, оставляя шероховатым. Без этих приготовлений в керлинг сыграть нельзя — магия закручивания камней и натирания льда работать не будет. Керлингисты понимают, зачем эта магия нужна и как ей пользоваться, физики — не очень понимают, откуда она берется.

Насколько скользко

Численный параметр, который характеризует скользкость, — это коэффициент трения скольжения, отношение силы трения между двумя поверхностями к силе, с которой эти поверхности придавлены друг к другу. Лед — очень скользкий. Коэффициент трения скольжения почти всего по нему (и льда по почти всему) обычно меньше 0,015. По поверхности металла предметы скользить так сильно могут лишь в исключительных случаях (и лучше со смазкой). Есть специально синтезированные материалы с аномально низкими коэффициентами трения, тефлон или керамические боридные сплавы, на которых даже без лубриканта коэффициент трения может достигать 0,04 — но и это в два с лишним раза больше, чем у льда.

Скольжение по тефлону или керамике не зависит от температуры, а на трение со смазкой температура влияет только тем, что увеличивает вязкость смазочной жидкости. А у льда такая зависимость есть. Самый скользкий лед получается примерно при −8 градусах Цельсия. А хуже всего он либо при очень низких температурах (ниже −50), либо, наоборот, около нуля.

Последние полтора века физики были уверены, что между льдом и скользящими по нему камнем, коньком или коровой образуется водная пленка. Ученые предполагали три возможных сценария появления этой пленки:

• лед тает под давлением камня или коровы, а поскольку плотность льда меньше, чем у воды, то сжатие приводит к плавлению,
• вода появляется в результате разогрева непосредственно при трении,
• вблизи поверхности кристаллическая структура льда меняется, молекулы слабее держатся друг за друга, и это приводит к поверхностному плавлению.

Первые две гипотезы объясняют повседневный эффект простым макроскопическим механизмом, не привлекая к объяснению молекулы, химические связи и прочие объекты микромира. Но несмотря на то, что часто природа оправдывает наши ожидания и наглядные механизмы срабатывают для объяснения повседневной действительности, со льдом получилось иначе (как, например, и с вопросом о том, почему небо голубое).