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

Как Астана Москву опередила Как Астана Москву опередила

Замысел по созданию МФЦ уже реализовали в Казахстане

РБК
«Самый масштабный кризис за всю историю»: почему палладий долго будет дороже платины «Самый масштабный кризис за всю историю»: почему палладий долго будет дороже платины

Можно ли заменить палладий платиной? Рассказывает вице-президент ГМК «Норникель»

Forbes
Топ-10 самых дорогих карт с покемонами: готовы выложить 28 млн рублей? Топ-10 самых дорогих карт с покемонами: готовы выложить 28 млн рублей?

Pokémon TCG стала настолько популярной, что карточки теперь стоят немалых денег

Популярная механика
Меган Маркл целовалась в губы с красавчиком Кристофером перед встречей с Гарри Меган Маркл целовалась в губы с красавчиком Кристофером перед встречей с Гарри

Меган Маркл до встречи с принцем Гарри снялась в легкомысленной комедии

Cosmopolitan
Тебе это не кажется: как понять, что он тебя разлюбил Тебе это не кажется: как понять, что он тебя разлюбил

Разбираемся, как понять, что мужчина разлюбил женщину

VOICE
Кальмар Кальмар

Как правильно выбрать или поймать кальмара?

Bones
Стелла Ильницкая. Верю в чудо Стелла Ильницкая. Верю в чудо

Если приглядеться, жизнь — это одно сплошное чудо, которого мы часто не замечаем

Коллекция. Караван историй
48 м² 48 м²

Квартира для модницы по проекту Снежаны Цуцаевой

AD
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
3:0 в вашу пользу 3:0 в вашу пользу

Славный путь от смутных 90-х до наших по-спортивному подтянутых дней

Men’s Health
90 м² 90 м²

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

AD
55 м² 55 м²

Двухуровневая квартира архитектора Элины Смаиловой

AD
Виктория Лановская. Несколько жизней Александра Абдулова Виктория Лановская. Несколько жизней Александра Абдулова

Александр Абдулов, баловень жизни, любимец женщин, удачливый известный актер

Коллекция. Караван историй
Живые и искусственные ёлки: какие вредят экологии больше и что с ними делать после Нового года Живые и искусственные ёлки: какие вредят экологии больше и что с ними делать после Нового года

Как сказываются на окружающей среде искусственные и живые ёлки?

VC.RU
Почему кровь красная Почему кровь красная

Какого цвета бывает кровь?

Наука и жизнь
Зеленая энергетика или «энергетический разворот» к солнцу? Зеленая энергетика или «энергетический разворот» к солнцу?

Солнечный свет как возобновляемый источник энергии

Популярная механика
Игра в классику: 10 культовых фильмов, чтобы скоротать вечер в приятной компании Игра в классику: 10 культовых фильмов, чтобы скоротать вечер в приятной компании

Надежная классика, доступная на Netflix

Esquire
Миллиарды с низких цен Миллиарды с низких цен

IPO Fix Price стало одним из крупнейших в России за последние 10 лет

Forbes
Труды и дни принцессы Уэльской: почему Диана до сих пор остается кумиром в Британии Труды и дни принцессы Уэльской: почему Диана до сих пор остается кумиром в Британии

Почему Диана до сих пор остается образцом инфлюенс-маркетинга в социальной сфере

Forbes
Дом, который умеет плавать Дом, который умеет плавать

Почему так сложно переехать на сушу после хаусбота

Отдых в России
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
«Жирное заблуждение»: 3 главных мифа о жирах «Жирное заблуждение»: 3 главных мифа о жирах

Отрывок из книги Анны Флек «Жиры против углеводов».

Psychologies
То, как вы ссоритесь, может многое рассказать о вашей паре То, как вы ссоритесь, может многое рассказать о вашей паре

Распространенные сценарии конфликтов в отношениях

Psychologies
Гонка за орбитальный кинематограф Гонка за орбитальный кинематограф

Зачем снимать кино в космосе, если есть компьютерная графика?

Популярная механика
За сколько можно похудеть так, чтобы все заметили? За сколько можно похудеть так, чтобы все заметили?

Какие сроки для похудения реальны – недели, месяцы, годы?

Cosmopolitan
FX-фактор. Тест-драйв нового Infiniti QX55 FX-фактор. Тест-драйв нового Infiniti QX55

Что может противопоставить немецким конкурентам новый Infiniti QX55

РБК
Путин поддержал идею обсудить закон об иноагентах с журналистами Путин поддержал идею обсудить закон об иноагентах с журналистами

Путин согласился, что закон об иноагентах нужно обсудить с профессионалами

Forbes
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
Аглая Тарасова Аглая Тарасова

Аглая Тарасова — о любимых городах, людях и эмоциях

Собака.ru
5 странных рождественских традиций в разных странах 5 странных рождественских традиций в разных странах

В других странах тоже существуют рождественские традиции. И довольно странные

GQ
Открыть в приложении