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

На «Балтике» в ООН На «Балтике» в ООН

Рейс этого судна вошел не только в российскую, но и мировую политическую историю

Дилетант
EXEED VX. Последнее китайское предупреждение EXEED VX. Последнее китайское предупреждение

Известный китайский бренд привёз в Россию новый автомобиль

4x4 Club
Грустный балбес: 6 серьезных ролей Юрия Никулина Грустный балбес: 6 серьезных ролей Юрия Никулина

Картины, в которых Юлий Никулин отошел от образа весельчака и Балбеса

Esquire
«Превосходным руководителем можно стать вне зависимости от пола» «Превосходным руководителем можно стать вне зависимости от пола»

Женщины-CEO — о том, как решать вопрос с гендерным равенством в бизнесе

РБК
Нео-классика: все экшен-фильмы с Киану Ривзом — от худшего к лучшему Нео-классика: все экшен-фильмы с Киану Ривзом — от худшего к лучшему

Рейтинг 15 экшен-фильмов с участием Киану Ривза

Esquire
«Всё, что я хочу на Новый год» «Всё, что я хочу на Новый год»

Елизавета Боярская с детства не верит в Деда Мороза, но все равно любит декабрь

OK!
Жизнь в моменте Жизнь в моменте

Получать удовольствие от процесса гораздо важнее, чем достичь результата

Лиза
Да их тут тысячи! Да их тут тысячи!

Ксения Букша о любви к мемам и анекдотам

Weekend
Cтартап и суперстар Cтартап и суперстар

Мате Римац построил компанию, которая произвела электрический гиперкар

Robb Report
Вернуть Плутон и добавить в список луны: астрономы требуют отказаться от современного определения термина Вернуть Плутон и добавить в список луны: астрономы требуют отказаться от современного определения термина

Астрономы требуют вернуть определение «планеты», данное Галилеем

Популярная механика
«Математическое образование заставляет людей думать по-другому» «Математическое образование заставляет людей думать по-другому»

Математик Федор Богомолов — про ученых и о роли математики в других науках

Наука
Вечная история о насилии и отчуждении: «Заводному апельсину» — 50 лет. Вспоминаем великий фильм Стэнли Кубрика Вечная история о насилии и отчуждении: «Заводному апельсину» — 50 лет. Вспоминаем великий фильм Стэнли Кубрика

Как Кубрику удалось снять один из лучших фильмов об изоляции и бунте?

Esquire
Обыкновенная генетта Обыкновенная генетта

Генетта — это редкость, экзотика. Чего это она вдруг «обыкновенная»?

Weekend
5 стран мира с четырехдневной рабочей неделей 5 стран мира с четырехдневной рабочей неделей

Потому что два выходных — хорошо, а три — еще лучше!

Playboy
Мэтт Смит – об Ане Тейлор-Джой, злодеях и судьбе Мэтт Смит – об Ане Тейлор-Джой, злодеях и судьбе

Интервью с британским актером Мэттом Ситом

GQ
Как и куда начать инвестировать с нуля: раскладываем все в твоей голове по полочкам Как и куда начать инвестировать с нуля: раскладываем все в твоей голове по полочкам

Советы для начинающих инвесторов

Playboy
90 м² 90 м²

Ирина Граве сделала для себя фактурный интерьер и наполнила его искусством

AD
Почему после еды хочется чего-нибудь вкусненького Почему после еды хочется чего-нибудь вкусненького

Почему после плотного обеда все равно хочется съесть закуску или десерт?

Популярная механика
Домик на волне Домик на волне

«Море волнуется раз»: главный фильм 2021 года по версии «Кинотавтра»

Weekend
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
Как сохранить эмоциональное здоровье при любых обстоятельствах Как сохранить эмоциональное здоровье при любых обстоятельствах

Как жить, когда вокруг неспокойно?

Psychologies
Все новогодние традиции народов мира Все новогодние традиции народов мира

Что мы знаем о традициях празднования Нового года в разных странах мира?

Популярная механика
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
Экспедиция за кислой жизнью. Какие сюрпризы ждут человечество на Венере Экспедиция за кислой жизнью. Какие сюрпризы ждут человечество на Венере

Объявлен старт программы Venus Life Finder («Поиск венерианской жизни»)

СНОБ
«Ты сейчас нарушаешь мои границы»: как происходит подмена понятий новой этики «Ты сейчас нарушаешь мои границы»: как происходит подмена понятий новой этики

Глава из книги «Сложные чувства» о новой реальности наших чувств

Forbes
«Золотые аферистки»: традиции брака в Иране и как девушки на них зарабатывают «Золотые аферистки»: традиции брака в Иране и как девушки на них зарабатывают

Блогерка Кристина Бошчех — о тонкостях иранского менталитета

Cosmopolitan
Палеогенетики секвенировали древнюю ДНК из пропитанных смолой отложений Палеогенетики секвенировали древнюю ДНК из пропитанных смолой отложений

В плейстоценовых отложениях хорошо сохраняется древняя ДНК

N+1
Могучие камнеметы: грозная осадная техника Могучие камнеметы: грозная осадная техника

Как военная инженерия древних греков и римлян помогла завоевать весь мир

Популярная механика
«Эгоцентризм и нытье». Вышел долгожданный альбом рэпера Oxxxymirona «Эгоцентризм и нытье». Вышел долгожданный альбом рэпера Oxxxymirona

Альбом Oxxxymirona «Красота и уродство» — самый громкий камбэк уходящего года

СНОБ
На чем реально ездят звезды Голливуда? На чем реально ездят звезды Голливуда?

Люди, имеющие миллионы долларов, иногда покупают неожиданные автомобили

Maxim
Открыть в приложении