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

Древнейшим останкам из Фофановского могильника в Забайкалье оказалось 8000 лет Древнейшим останкам из Фофановского могильника в Забайкалье оказалось 8000 лет

Исследователи провели радиоуглеродный анализ находок, сделанных на Селенге

N+1
Как в Даурии радужный камень нашли Как в Даурии радужный камень нашли

Флюорит — завораживающий минерал, появившийся в природной «лаборатории»

Наука и жизнь
Смена имени, сожжение знаменитостей и камень в подарок: 10 необычных новогодних традиций со всего мира Смена имени, сожжение знаменитостей и камень в подарок: 10 необычных новогодних традиций со всего мира

Странные новогодние традиции

Playboy
Мигрень: симптомы, причины, лечение Мигрень: симптомы, причины, лечение

Откуда берется мигрень и как минимизировать её проявления

РБК
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
Лена Ванина Лена Ванина

Лена Ванина — сценаристка важных сериалов нового времени

Собака.ru
Одна вокруг света: оползень на дороге и закрытая граница Эквадора Одна вокруг света: оползень на дороге и закрытая граница Эквадора

151-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко

Forbes
Как увеличить губы без уколов при помощи тейпов — новый тренд соцсетей Как увеличить губы без уколов при помощи тейпов — новый тренд соцсетей

Тейп-липс — рассказываем о новом бьюти-поветрии из инстаграма

Cosmopolitan
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
Сотрясение спорта Сотрясение спорта

Из-за частых сотрясений мозга атлетам угрожает "эпидемия" деменции

Men’s Health
Антония Сьюзен Байетт: «Дева в саду» Антония Сьюзен Байетт: «Дева в саду»

Отрывок из романа, ставшего первой частью тетралогии «Квартета Фредерики»

СНОБ
Почему нам нравятся противоречивые киногерои Почему нам нравятся противоречивые киногерои

Почему в кино и сериалах на первый план вышли неоднозначные персонажи

СНОБ
Убытки, наркотики и драки: в клубе Haçienda зародился британский эйсид-хаус, но он приносил владельцам одни проблемы Убытки, наркотики и драки: в клубе Haçienda зародился британский эйсид-хаус, но он приносил владельцам одни проблемы

Haçienda — пример того, как предпринимателям не стоит управлять клубом

VC.RU
«Нужно напомнить людям — смотрите, этот парень когда-то существовал!»: кто и как зарабатывает на Элвисе Пресли «Нужно напомнить людям — смотрите, этот парень когда-то существовал!»: кто и как зарабатывает на Элвисе Пресли

О причинах падения прибыли от наследия Элвиса Пресли c $60 млн в год до $42 млн

VC.RU
Поменяться местами. Чем опасны сексуальные двойные стандарты Поменяться местами. Чем опасны сексуальные двойные стандарты

Как за мужчинами и женщинами закрепились роли в сексе

СНОБ
EdTech-стартап основателя Softline привлек $4 млн на экспансию за рубежом EdTech-стартап основателя Softline привлек $4 млн на экспансию за рубежом

Платформа для дистанционного обучения Educate Online привлекла $4 млн

Forbes
Берлин, 22 июня… Берлин, 22 июня…

В тот день футбол интересовал немцев больше, чем сообщения о военных действиях

Дилетант
Актриса Нелли Уварова: Самое главное в жизни — не тратить энергию на то, чтобы кому-то что-то доказать Актриса Нелли Уварова: Самое главное в жизни — не тратить энергию на то, чтобы кому-то что-то доказать

Нелли Уварова — о роли танцев в её жизни и благотворительности

СНОБ
«Все подруги замужем, а я?»: как эта установка портит нам жизнь «Все подруги замужем, а я?»: как эта установка портит нам жизнь

Как не сравнивать себя с другими и почему не стоит гнаться за замужеством?

Psychologies
Любимые автобусы страны Советов Любимые автобусы страны Советов

Самые родные автобусы времен СССР

Maxim
Бригада по-английски: как повторить стиль из сериала «Острые козырьки» Бригада по-английски: как повторить стиль из сериала «Острые козырьки»

Где ты найти все, что необходимо для гангстерского антуража

Playboy
«Как иронично, что фирме в сфере психического здоровья плевать на психическое здоровье собственных работников» «Как иронично, что фирме в сфере психического здоровья плевать на психическое здоровье собственных работников»

Сотрудники Spring Health жалуются на соучредительницу Эйприл Кох

VC.RU
Что наука говорит о балансе работы и личной жизни Что наука говорит о балансе работы и личной жизни

Как правильно расставлять приоритеты между работой и личной жизнью?

Популярная механика
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
Не переключайтесь: 23 оригинальных фильма Netflix, вышедших в 2021 году Не переключайтесь: 23 оригинальных фильма Netflix, вышедших в 2021 году

Партия оригинальных и неплохих проектов Netflix 2021 года

Правила жизни
Без пластики и диет: принципы естественного старения модели Паулины Поризковой Без пластики и диет: принципы естественного старения модели Паулины Поризковой

Паулина Поризкова не сидит на жестких диетах и при этом выглядит круто

Cosmopolitan
Могло быть иначе? Могло быть иначе?

Татьяна Филева — математик, пилот и руководитель авиакомпании

GQ
Юрий Дудь выпустил видео о пытках в российской полиции. Главное из двухчасового фильма Юрий Дудь выпустил видео о пытках в российской полиции. Главное из двухчасового фильма

Главное из фильма Юрия Дудя о том, как и почему пытают в российской полиции

СНОБ
Диана Анкудинова, Ирина Поник. Не такая, как все Диана Анкудинова, Ирина Поник. Не такая, как все

За плечами восемнадцатилетней Дианы Анкудиновой победа в шоу «Ты супер!» на НТВ

Коллекция. Караван историй
Холодное сердце Холодное сердце

Как зимой снизить риск сердечно-сосудистых заболеваний

Лиза
Открыть в приложении