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

Урс лепки Урс лепки

Урс Фишер, «Большой глиной № 4», автор отвечает на наболевшие вопросы

Harper's Bazaar
Фантазия на тему Фантазия на тему

Хозяева этой квартиры хотели получить нарядный интерьер в классическом стиле

SALON-Interior
Она — моя! 10 российских звезд, которые скрывают своих жен Она — моя! 10 российских звезд, которые скрывают своих жен

Герои нашей подборки убеждены: счастье любит тишину

Cosmopolitan
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
«Утром мажу бутерброд — сразу мысль: а как народ?» Самые искрометные цитаты Леонида Филатова «Утром мажу бутерброд — сразу мысль: а как народ?» Самые искрометные цитаты Леонида Филатова

Цитаты Леонида Филатова

Maxim
Fast Company: шесть советов, как найти работу в новой отрасли без опыта Fast Company: шесть советов, как найти работу в новой отрасли без опыта

Советы, которые помогут найти работу, когда нет соответствующего опыта

Inc.
Как стать самым молодым оперирующим хирургом-онкологом и зачем врачу психотерапевт Как стать самым молодым оперирующим хирургом-онкологом и зачем врачу психотерапевт

Хирург-онколог рассказал, как совмещать практику хирурга с управлением клиникой

Forbes
Fast Company опубликовало четыре самые обнадеживающие технологии года Fast Company опубликовало четыре самые обнадеживающие технологии года

Fast Company собрало несколько перспективных технологических направлений

Inc.
Как не стать зависимым от гаджетов: 4 действенных совета Как не стать зависимым от гаджетов: 4 действенных совета

Как избежать зависимости от гаджетов и заново научиться ими управлять.

Популярная механика
Как 22-летняя девушка из села в Бурятии спасает урожаи с помощью спутников и ИИ Как 22-летняя девушка из села в Бурятии спасает урожаи с помощью спутников и ИИ

Основательница компании Aerospace-Agro рассказала, как сталкивается с сексизмом

Forbes
Могут ли привлечь физлицо за использование пиратского ПО, и что в этом случае грозит Могут ли привлечь физлицо за использование пиратского ПО, и что в этом случае грозит

Могут ли вас привлечь как пиратов?

CHIP
Миром правят деньги: 9 фильмов про миллионеров, которые стоит посмотреть Миром правят деньги: 9 фильмов про миллионеров, которые стоит посмотреть

Герои этих фильмов вызывают зависть, мотивируют, возмущают

Playboy
GPT-3 научили искать ответы в интернете и подкреплять их ссылками на источники GPT-3 научили искать ответы в интернете и подкреплять их ссылками на источники

GPT-3 научили нейросеть собирать информацию из разных источников

N+1
Праздник с тобой Праздник с тобой

Новогодняя декорация Shakirova Space

SALON-Interior
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
История пузырьков на упаковочной пленке История пузырьков на упаковочной пленке

Долгая история лопающегося полиэтилена

Esquire
Яркая жизнь в стиле каваии: 4 шага, которые стоит сделать до конца года Яркая жизнь в стиле каваии: 4 шага, которые стоит сделать до конца года

Как сделать свою жизнь ярче, добавить позитивных эмоций?

Psychologies
90 м² 90 м²

Квартира в старом фонде, в которую добавили цвета и естественного света

AD
Как ресторатор Антон Пинский за 5 лет стал главным партнером Аркадия Новикова Как ресторатор Антон Пинский за 5 лет стал главным партнером Аркадия Новикова

Ресторатор Антон Пинский — как он заработал первые деньги на клубном бизнесе

Forbes
Экология Экология

Самой актуальной антиутопией по-прежнему остается климатическая

Esquire
Искаженные инвестиции Искаженные инвестиции

Какие активы принесли инвесторам тысячи и миллионы процентов и что это означает

Forbes
УАЗ «Патриот». Каково это, жить с автоматом УАЗ «Патриот». Каково это, жить с автоматом

Поставить на «Патриот» автоматическую трансмиссию просили многие

4x4 Club
«Если будешь всех слушать, то проиграешь»: главное из интервью Михаила Токовинина, основателя amoCRM «Если будешь всех слушать, то проиграешь»: главное из интервью Михаила Токовинина, основателя amoCRM

Основатель amoCRM — зачем он нанимает неуверенных в себе людей?

VC.RU
Была ли пластика? Как стареют звезды «Секса в большом городе» — разбирает хирург Была ли пластика? Как стареют звезды «Секса в большом городе» — разбирает хирург

Как сильно звезды "Секса в большом городе" изменились за два десятка лет

Cosmopolitan
Дом с колоннами. Прошлое и будущее челябинского «Молодежного театра» Дом с колоннами. Прошлое и будущее челябинского «Молодежного театра»

Как бывший народный дом превратился в площадку для театральных экспериментов

СНОБ
Времени хватит Времени хватит

Лучшие бьюти-процедуры «на выход»

Добрые советы
Почему нельзя учить мальчиков и девочек отдельно: чем это закончилось в СССР Почему нельзя учить мальчиков и девочек отдельно: чем это закончилось в СССР

Раздельное обучение в СССР

Cosmopolitan
Дикие повадки: чем человек отличается от шимпанзе Дикие повадки: чем человек отличается от шимпанзе

Чем на самом деле человек отличается от шимпанзе?

Популярная механика
Мембрана с сосудообразными порами оказалась эффективным добытчиком урана из воды Мембрана с сосудообразными порами оказалась эффективным добытчиком урана из воды

Китайские химики разработали мембрану для экстракции урана из воды

N+1
Как вы считаете? Как вы считаете?

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

Grazia
Открыть в приложении