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

Даосские женские практики для интимных мышц Даосские женские практики для интимных мышц

Даосская практика с нефритовым яйцом — кому она может быть полезна?

Psychologies
Смотреть как преступник Смотреть как преступник

Линор Горалик о сериале «Мыслить как преступник»

Weekend
На экзопланете впервые обнаружили следы магнитного поля На экзопланете впервые обнаружили следы магнитного поля

Открытие магнитосферы планеты HAT-P-11b – важный шаг к пониманию ее обитаемости

National Geographic
Испытать снежность: 7 причин провести зимние каникулы в Челябинской области Испытать снежность: 7 причин провести зимние каникулы в Челябинской области

Последние два года дали нам возможность взглянуть на отдых в России по-другому

National Geographic
Мумию Аменхотепа I впервые изучили с помощью компьютерной томографии Мумию Аменхотепа I впервые изучили с помощью компьютерной томографии

Египтологи обнаружили, что древние грабители гробниц оторвали ему голову

N+1
Премия ВРАЛ: грустный рептилоид для Премия ВРАЛ: грустный рептилоид для

Торжественная церемония награждения авторов самых популярных лженаучных теорий

Популярная механика
Изотопы свинца в белилах картин голландских художников указали на смену сырья Изотопы свинца в белилах картин голландских художников указали на смену сырья

Ученые провели изотопный анализ белил в картинах голландских художников

N+1
12 лучших гаданий на католическое Рождество со всего мира 12 лучших гаданий на католическое Рождество со всего мира

Способы заглянуть в будущее у западных христиан

Cosmopolitan
Как Август Мейер стал миллионером и почему попал в СИЗО Как Август Мейер стал миллионером и почему попал в СИЗО

Как предприимчивый американец Август Мейер заработал в России $650 млн

Forbes
non/fiction 2021: выбор «Полки» non/fiction 2021: выбор «Полки»

25 книг, которые украсят вашу библиотеку

Полка
Запутавшаяся в сетях самка редкого кита родила детеныша. Им не могут помочь Запутавшаяся в сетях самка редкого кита родила детеныша. Им не могут помочь

Самка кита, запутавшаяся в рыболовных сетях, родила в таком состоянии малыша

National Geographic
Как здорово, что все мы здесь сегодня собрались: «Человек-паук: Нет пути домой» против ностальгии Как здорово, что все мы здесь сегодня собрались: «Человек-паук: Нет пути домой» против ностальгии

Почему новый «Человек-паук» — мощная и яркая картина?

Esquire
Дольче и пиканте Дольче и пиканте

Иностранцам многое откроется, если внимательно смотреть, слушать и пробовать

Bones
К гостю из космоса К гостю из космоса

В Челябинской области появился первый брендовый маршрут

Отдых в России
Как заставить себя заниматься спортом дома Как заставить себя заниматься спортом дома

Как не растерять активность и заниматься спортом дома?

Лиза
Возвращение легенды: кто и зачем строит копии затонувшего Титаника Возвращение легенды: кто и зачем строит копии затонувшего Титаника

Хотите забронировать себе круиз на "Титанике"?

Популярная механика
«Мы собрали одну из самых больших «Мы собрали одну из самых больших

Как Apple создает новые продукты?

VC.RU
Холланд наступает: почему Том Холланд — новый всеобщий любимец Холланд наступает: почему Том Холланд — новый всеобщий любимец

Чем хорош Том Холланд и почему ему светит большое голливудское будущее

Esquire
Не просто цифра: как сказывается на отношениях разница в возрасте Не просто цифра: как сказывается на отношениях разница в возрасте

Разница в возрасте — это просто число, на которое можно не обращать внимания?

Cosmopolitan
Чем короче юбка — тем меньше счет: 5 заведений, которые предлагают необычные скидки Чем короче юбка — тем меньше счет: 5 заведений, которые предлагают необычные скидки

Гении ресторанного креатива

Playboy
Полный вперед Полный вперед

Дизайнеры снова размышляют о будущем, думают, сбылись ли прошлые модные прогнозы

Vogue
Луну будет изучать «Летающая тарелка» Луну будет изучать «Летающая тарелка»

Летающую тарелку будут использовать для исследования Луны

National Geographic
Богатство выбора: что не так с новым исследованием неравенства в мире и в России Богатство выбора: что не так с новым исследованием неравенства в мире и в России

Обновленная база данных о ситуации с неравенством в современном мире

Forbes
Время лайфхаков: как узнать, кто заблокировал в инстаграме Время лайфхаков: как узнать, кто заблокировал в инстаграме

Ты точно вычислишь тех, кто кинул тебя в ЧС

Playboy
Ольга Арлаускас: «Все люди заслуживают внимания, одобрения и принятия» Ольга Арлаускас: «Все люди заслуживают внимания, одобрения и принятия»

Героиня номера – Ольга Арлаускас, известная работами на социальную тематику

Grazia
5 самых грозных боевых топоров прошлого: оружие настоящего воина 5 самых грозных боевых топоров прошлого: оружие настоящего воина

Какими топорами сражались в прошлом суровые воители во всем мире

Популярная механика
Подарок из Мессины Подарок из Мессины

В эрмитажной коллекции хранится много документальных экспонатов прошлых веков

Дилетант
Почему кровь красная Почему кровь красная

Какого цвета бывает кровь?

Наука и жизнь
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
Как в зоопарке вылечили гориллу: фото Как в зоопарке вылечили гориллу: фото

28-летний самец западной равнинной гориллы подхватил воспаление легких

National Geographic
Открыть в приложении