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

Грузоперевозки будущего: что будет c ними в ближайшие 10 лет Грузоперевозки будущего: что будет c ними в ближайшие 10 лет

Что произойдет с грузоперевозками в ближайшие 10 лет.

Популярная механика
Праздник вкуса Праздник вкуса

Покупаем авокадо, индейку, икру и мандарины

Добрые советы
Гидрогель укрепил бумагу для печати гибких биоразлагаемых аккумуляторов Гидрогель укрепил бумагу для печати гибких биоразлагаемых аккумуляторов

Укрепленная гидрогелем бумага помогла напечатать гибкие бумажные аккумуляторы

N+1
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
Любимые автобусы страны Советов Любимые автобусы страны Советов

Самые родные автобусы времен СССР

Maxim
Елена Панова: «Я хоть и не очень состоятельная, но вполне состоявшаяся артистка» Елена Панова: «Я хоть и не очень состоятельная, но вполне состоявшаяся артистка»

Елена Панова — о своих образах, фильмах и семье

Караван историй
Что такое либидо и как его повысить Что такое либидо и как его повысить

Вокруг понятия либидо почти всегда возникают споры

РБК
Любимые новогодние блюда и напитки СССР, про которые сегодня все забыли Любимые новогодние блюда и напитки СССР, про которые сегодня все забыли

Продукты, которые ели на Новый год в Советском союзе, а теперь предали забвению

Maxim
А остальные им завидуют: топ-10 самых влиятельных российских звезд — 2021 А остальные им завидуют: топ-10 самых влиятельных российских звезд — 2021

Самые влиятельные звезды, которые особенно отличились своими успехами

Cosmopolitan
Исчезнувшая греза Михаила Врубеля Исчезнувшая греза Михаила Врубеля

«Принцесса Греза» Михаила Врубеля — летящие волосы, полупрозрачные одежды

Караван историй
Как определить, психопат ли твой кот Как определить, психопат ли твой кот

Большинству котов присущи черты психопатического расстройства личности

Maxim
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
Польза и вред граната для здоровья: советы врача Польза и вред граната для здоровья: советы врача

Что нужно знать о гранате, чем он полезен и как его правильно выбрать?

РБК
Как 29-летний белорус построил «единорога» в США, помогая детям с аутизмом Как 29-летний белорус построил «единорога» в США, помогая детям с аутизмом

Elemy — «единорог», который помогает детям с аутизмом получать терапию

Forbes
10 антиутопий и их экранизации 10 антиутопий и их экранизации

Выдающиеся антиутопии, которые можно не только почитать, но и посмотреть

СНОБ
Обсерватория Пик-дю-Миди зафиксировала свободный тропосферный перенос микропластика Обсерватория Пик-дю-Миди зафиксировала свободный тропосферный перенос микропластика

В обсерватории на высоте 2877 метров был обнаружен микропластик

N+1
Главные нон-фикшен книги 2021 года Главные нон-фикшен книги 2021 года

Лучшие нон-фикшен книги 2021 года — в подборке «Сноба».

СНОБ
«Третья волна»: история самого жестокого школьного эксперимента «Третья волна»: история самого жестокого школьного эксперимента

Учитель даже представить себе не мог, чем закончится его небольшая постановка

Cosmopolitan
Наказать жертву: как в Китае борются с харассментом Наказать жертву: как в Китае борются с харассментом

Почему Секс-скандалы в Китае приводят к тому, что под ударом оказываются жертвы?

Forbes
Исследование: россияне работают больше, чем японцы и американцы Исследование: россияне работают больше, чем японцы и американцы

Россияне работают в среднем более 1,8 тыс. часов в год

Inc.
77 м² 77 м²

Квартира с круговой планировкой по проекту Анастасии Хальчицкой

AD
Холодное сердце Холодное сердце

Как зимой снизить риск сердечно-сосудистых заболеваний

Лиза
Вычитание фононов с помощью света сделало звук неклассическим Вычитание фононов с помощью света сделало звук неклассическим

Физики продемонстрировали возможность вычитания фононов из резонатора

N+1
«Telegram нужен как независимый проект»: как Дуров пытался найти деньги на мессенджер и запустил рекламу «Telegram нужен как независимый проект»: как Дуров пытался найти деньги на мессенджер и запустил рекламу

О расходах, монетизации и причинах появления «раздражающей» рекламы в Telegram

VC.RU
Что делать, если сервис не может починить гаджет по гарантии? Что делать, если сервис не может починить гаджет по гарантии?

Многие сервисы затягивают ремонт под разными предлогами

CHIP
«Я видела, как погибла моя дочь»: почему Агнии Барто писали тысячи таких писем «Я видела, как погибла моя дочь»: почему Агнии Барто писали тысячи таких писем

Мало кто знает, что творчество было не главным делом жизни поэтессы Агнии Барто

Cosmopolitan
Миллиарды с низких цен Миллиарды с низких цен

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

Forbes
Несказочная жизнь: как сложилась судьба прототипа Белоснежки Несказочная жизнь: как сложилась судьба прототипа Белоснежки

Жила ли на свете когда-нибудь девушка, похожая на Белоснежку?

Cosmopolitan
Татьяна Буланова: «Все сама... и уважаю себя за это» Татьяна Буланова: «Все сама... и уважаю себя за это»

Оглядываясь назад, скажу, что можно было бы выглядеть и поприличнее

Коллекция. Караван историй
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
Открыть в приложении