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

Тим Кук намекнул, почему Apple занялась AR. И дал понять, что компания продолжает разрабатывать автомобиль Тим Кук намекнул, почему Apple занялась AR. И дал понять, что компания продолжает разрабатывать автомобиль

Тим Кук — о том, как компания использует технологии дополненной реальности

Inc.
Что такое акклиматизация, в чем она проявляется и как ее облегчить Что такое акклиматизация, в чем она проявляется и как ее облегчить

Как справиться с акклиматизацией в различных условиях и можно ли избежать ее

РБК
Археологи нашли аланского ребенка с искусственно деформированным черепом Археологи нашли аланского ребенка с искусственно деформированным черепом

Ученые обнаружили на периферии кургана аланского могильника детское погребение

N+1
На жигулевских просторах На жигулевских просторах

В каком месте Илья Репин задумал знаменитую картину «Бурлаки на Волге»

Отдых в России
Открытие сезона Открытие сезона

Зарина Догузова, руководитель Ростуризма, посетила с рабочим визитом Кузбасс

Отдых в России
«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
От мрачных окраин Петропавловска ко всемирному триумфу: исповедь би-боя Амира Закирова От мрачных окраин Петропавловска ко всемирному триумфу: исповедь би-боя Амира Закирова

Встречайте драматическую историю успеха Амира Закирова, достойную экранизации

GQ
Нырнуть в вулкан, пробежать марафон: чем заняться в Антарктиде «летом» Нырнуть в вулкан, пробежать марафон: чем заняться в Антарктиде «летом»

Рассказываем, как попасть в Антарктиду и чем там заняться

РБК
Смерть в новых декорациях: пять современных экранизаций Агаты Кристи Смерть в новых декорациях: пять современных экранизаций Агаты Кристи

Леденящие душу детективные истории Агаты Кристи не теряют актуальности

Playboy
Почему появляются прыщи зимой и как иметь чистую и сиящую кожу даже в мороз Почему появляются прыщи зимой и как иметь чистую и сиящую кожу даже в мороз

Зимнее акне существует, и с ним сталкиваются люди всех возрастов

Cosmopolitan
Отшельник по собственной воле. Клаудио Морандини: «Снег, собака, нога» Отшельник по собственной воле. Клаудио Морандини: «Снег, собака, нога»

Книга об отшельнике Адельмо Фарандола, который живет в хижине на склоне горы

СНОБ
Хватит мерзнуть Хватит мерзнуть

9 привычек, из-за которых тебе холоднее, чем должно быть

Лиза
Священник-айтишник проповедует в Instagram и открывает ИТ-класс в Гродно Священник-айтишник проповедует в Instagram и открывает ИТ-класс в Гродно

Что будет, если человек уйдёт из бизнеса в церковь и сохранит желание создавать?

VC.RU
Хобби-терапия Хобби-терапия

Как хобби помогают восполнить внутреннюю энергию?

Добрые советы
Китовая бухта Китовая бухта

Где водятся русские тропические киты? Как сохранить этих исчезающих великанов?

Отдых в России
Между нами пояса Между нами пояса

Такие разные регионы, но объединяет их одно – в праздники здесь скучно не будет

Лиза
К свободе через мерч К свободе через мерч

GEN Store продвигает идеи независимости от больших брендов

GQ
Мне бы мяса: 4 лайфхака, как выбрать идеальный стейк в магазине Мне бы мяса: 4 лайфхака, как выбрать идеальный стейк в магазине

Как выбрать лучший кусок мяса для стейка и не прогадать

Playboy
От 6 и больше: знаменитые мужчины с рекордным количеством браков От 6 и больше: знаменитые мужчины с рекордным количеством браков

Среди героев нашей подборки те, кому не лень заглянуть в загс и в шестой раз

Cosmopolitan
«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
Все важное и архиважное о фильме «Ассе» Все важное и архиважное о фильме «Ассе»

С нами остались лучшие фильмы Соловьева, они теперь выглядят еще более особенно

Maxim
Таёжное проклятие Таёжное проклятие

В начале 1930-х в Кремль стали поступать тревожные сообщения с Дальнего Востока

Дилетант
Как победить прокрастинацию в обучении Как победить прокрастинацию в обучении

Заядлых прокрастинаторов не пугают даже серьезные последствия их решений

Популярная механика
История одной песни: «Pretty Fly (for a White Guy)», The Offspring, 1998 История одной песни: «Pretty Fly (for a White Guy)», The Offspring, 1998

Песня про белых парней, которые притворяются черными

Maxim
Какие места в самолете считаются худшими Какие места в самолете считаются худшими

Какие кресла в самолете лучше не покупать?

Популярная механика
5 причин, по которым ты набираешь вес во время месячных 5 причин, по которым ты набираешь вес во время месячных

На сколько нормально поправиться во время месячных?

Cosmopolitan
Что будет с телом, если каждый день в течение месяца делать планку Что будет с телом, если каждый день в течение месяца делать планку

Каких изменений можно ждать, если делать планку в течение 30 дней

Cosmopolitan
Астрологические близнецы: что объединяет таких разных Айзу и Варнаву Астрологические близнецы: что объединяет таких разных Айзу и Варнаву

При всех своих различиях Айза Долматова и Екатерина Варнава всё-таки похожи

Cosmopolitan
Пора украшать дом к Новому году — вот несколько простых идей Пора украшать дом к Новому году — вот несколько простых идей

Если хочется праздничного настроения, а пластиковой мишуры не хочется

Esquire
«Секс в большом городе» уже не тот? Образы звезд на премьере продолжения сериала «Секс в большом городе» уже не тот? Образы звезд на премьере продолжения сериала

Как менялся стиль звезд сериала «Секс в большом городе» от премьеры к премьере

Cosmopolitan
Открыть в приложении