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

Кризис приватности: за нами следят? Кризис приватности: за нами следят?

В жизни становится все меньше приватного и все больше публичного

Psychologies
Как закрыть гештальт, если программа зависла: инструкция по новогодней перезагрузке Как закрыть гештальт, если программа зависла: инструкция по новогодней перезагрузке

Что такое гештальт и на какие кнопки мозга нажимать, чтобы его закрыть

Playboy
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
Вестсайдские сториз: зачем нам сразу две за год экранизации Шекспира Вестсайдские сториз: зачем нам сразу две за год экранизации Шекспира

«Вестсайдская история» и R#J: старомодный мюзикл vs скринлайф-опера

РБК
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
Дарсонваль для лица: как им правильно пользоваться Дарсонваль для лица: как им правильно пользоваться

Что такое Дарсонваль и как его использовать?

Cosmopolitan
Шесть раз поверь Шесть раз поверь

В наши дни вести здоровый образ жизни без калькулятора невозможно

Men’s Health
Здесь все настоящее! Здесь все настоящее!

Поездка на Алтай – путешествие в мир разных ландшафтов, народов и культур

Отдых в России
15 эффективных упражнений на пресс: описание, видео, советы 15 эффективных упражнений на пресс: описание, видео, советы

Крепкий пресс — это подтянутый живот и здоровая спина

РБК
60 м² 60 м²

Основатели бюро ToTaste решили оставить в квартире открытую кирпичную кладку

AD
Физики создали управляемую спиновую жидкость Физики создали управляемую спиновую жидкость

Возможность управлять спиновой жидкостью поможет в создании кубитов

N+1
«Хочу выиграть в лотерею»: как загадывать желания, чтобы они сбывались «Хочу выиграть в лотерею»: как загадывать желания, чтобы они сбывались

Ритуал загадывания желаний в новогоднюю ночь имеет почти мистическую силу

Cosmopolitan
Вызываем грузчиков: 8 признаков, что вам пора съехаться Вызываем грузчиков: 8 признаков, что вам пора съехаться

Когда же наступает время съезжаться?

Cosmopolitan
На берегу океана На берегу океана

Интерьер московской квартиры в стиле american contemporary

SALON-Interior
Самые любопытные игры, в которые мы играли в 2021 году Самые любопытные игры, в которые мы играли в 2021 году

Пять игр 2021 года, на которые стоит обратить внимание

Esquire
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
Boulevard Depo и SP4K — о дружбе, новом EP Qwerty Lang и ценности фольклора Boulevard Depo и SP4K — о дружбе, новом EP Qwerty Lang и ценности фольклора

Boulevard Depo и SP4K о дружбе, черном юморе и отсылкам к русской культуре

Esquire
Власти признались, что отключают дорожные камеры в снегопад. Когда и где Власти признались, что отключают дорожные камеры в снегопад. Когда и где

Как работают камеры, если водитель пересечет невидимые под сугробами линии

РБК
Астрономы нашли горячую экзопланету - год на ней длится всего 8 часов Астрономы нашли горячую экзопланету - год на ней длится всего 8 часов

Одна из самых легких среди почти 5 000 известных сегодня экзопланет

Популярная механика
Сумасшедший Назимов Сумасшедший Назимов

Три произведения, которым удалось вернуть правильные имена лишь спустя много лет

Дилетант
Анатолий Зверев: вечная любовь Анатолий Зверев: вечная любовь

Анатолия Зверева любят многие и по-разному

СНОБ
Роботы в лабиринте Роботы в лабиринте

SubT — конкурс между роботами, способными самостоятельно исследовать подземелья

Популярная механика
Отцы и дети: почему сословный принцип в кадровой политике вредит экономике Отцы и дети: почему сословный принцип в кадровой политике вредит экономике

Почему продвижение «своих» по семейной линии всегда приводит к упущенной выгоде

Forbes
Счастья баловень безродный... Счастья баловень безродный...

Оценка Петром Меншикова была прозаической и трезвой: вороватый, да верный

Дилетант
Как сохранить эмоциональное здоровье при любых обстоятельствах Как сохранить эмоциональное здоровье при любых обстоятельствах

Как жить, когда вокруг неспокойно?

Psychologies
Путь белого волка Путь белого волка

Булат Рафиков больше двадцати лет кочует по малонаселенным районам Сибири

Отдых в России
Старомодная женственность — способ (не) похоронить отношения: мнение женщин Старомодная женственность — способ (не) похоронить отношения: мнение женщин

Женственность в мире, где многие больше не хотят следовать стереотипам

Psychologies
87 м² 87 м²

Интерьер с жизнерадостными оттенками Бали по проекту бюро Salmon Lair

AD
Когда лучше стричь волосы? Попробуй учитывать фазы Луны – вот как это работает Когда лучше стричь волосы? Попробуй учитывать фазы Луны – вот как это работает

Попробуй ухаживать за кожей и волосами согласно лунным фазам

Cosmopolitan
В каких продуктах много витамина С В каких продуктах много витамина С

Как нужно питаться, чтобы получать витамин С в нужном объеме?

РБК
Открыть в приложении