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

Зубная боль: как защититься от некачественных материалов у стоматолога Зубная боль: как защититься от некачественных материалов у стоматолога

Какие технологии чаще всего подделывают в стоматологиях?

Популярная механика
«Нету милфы сексапильней». Почему герой новой маскулинности Оксимирон остается сексистом «Нету милфы сексапильней». Почему герой новой маскулинности Оксимирон остается сексистом

Новый альбом Оксимирона порадовал фанатов и снова спровоцировал волну дискуссий

СНОБ
Личные фото скелетонистки Юлии Канакиной, от которых тает лед: смотрим в ее день рождения Личные фото скелетонистки Юлии Канакиной, от которых тает лед: смотрим в ее день рождения

Юлия Канакина — скелетонистка, приерка Кубка мира и участница рейтинга MAXIM

Maxim
Трагические судьбы известных моделей: жуткие убийства и загадочные исчезновения Трагические судьбы известных моделей: жуткие убийства и загадочные исчезновения

Вспоминаем самые жуткие истории из жизни моделей

VOICE
Фантазия на тему Фантазия на тему

Хозяева этой квартиры хотели получить нарядный интерьер в классическом стиле

SALON-Interior
42 м² 42 м²

Квартира со встроенными системами хранения по проекту бюро А3

AD
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
Какие заболевания в старости ждут супергероев: ученые все рассчитали Какие заболевания в старости ждут супергероев: ученые все рассчитали

Какие заболевания могут ожидать персонажей киновселенной Marvel в будущем

Популярная механика
Инвестиционный поход Инвестиционный поход

Важен баланс между стабильностью и риском

Esquire
6 неожиданных способов лечения простуды 6 неожиданных способов лечения простуды

Исцеляющая подборка народных методов лечения допеницеллиновой эры

Maxim
Приманка для топа: как стартапу привлечь опытного менеджера Приманка для топа: как стартапу привлечь опытного менеджера

Как подобрать подходящего управленца и чем его можно заманить в стартап

Inc.
90 м² 90 м²

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

AD
Машинное отделение: что хорошего современные бьюти-аппараты могут сделать с кожей и лицом Машинное отделение: что хорошего современные бьюти-аппараты могут сделать с кожей и лицом

С чего начать погружение в мир бьюти-аппаратов?

Esquire
Шапендуа Шапендуа

Шапендуа — собака, которой предписано быть немытой и нестриженой

Weekend
Игра в имена. Ольга Медведкова: «Ф.И.О.» Игра в имена. Ольга Медведкова: «Ф.И.О.»

Отрывок из книги Ольги Медведковой, которую она посвятила истории своего имени

СНОБ
Холодное сердце Холодное сердце

Как зимой снизить риск сердечно-сосудистых заболеваний

Лиза
Создаем домашний сервер: теория и основы Создаем домашний сервер: теория и основы

Особенности домашних серверов, их виды и ключевые характеристики

CHIP
Вставили сенсор от смартфона и добавили нейросети: зачем стартап Opal попытался заново изобрести веб-камеру Вставили сенсор от смартфона и добавили нейросети: зачем стартап Opal попытался заново изобрести веб-камеру

Получилось ли у стартап Opal создать «лучшее решение для удалённой работы»

VC.RU
В каких продуктах много витамина С В каких продуктах много витамина С

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

РБК
Лига киберчемпионов Лига киберчемпионов

Как россияне впервые выиграли самый престижный турнир Dota 2 The International

Forbes
Спорный руководитель, защитник от политиков и сторонник децентрализации: кем был Джек Дорси для Twitter Спорный руководитель, защитник от политиков и сторонник децентрализации: кем был Джек Дорси для Twitter

Что Джек Дорси сделал для социальной сети Twitter

VC.RU
Извержение как конец света: 10 фактов о супервулканах Извержение как конец света: 10 фактов о супервулканах

Извержение супервулкана: мыслимый конец света, который нельзя предотвратить

Популярная механика
«Мне нужно позвонить маме в Остин» — знакомим вас с актером, сыгравшим Тома Форда в «Доме Гуччи» «Мне нужно позвонить маме в Остин» — знакомим вас с актером, сыгравшим Тома Форда в «Доме Гуччи»

Актер Рив Карни — как получил роль в «Доме Гуччи» и об актерском составе фильма

Esquire
Получить 5% от доходов будущего Илона Маска: зачем компании инвестируют в конкретных людей Получить 5% от доходов будущего Илона Маска: зачем компании инвестируют в конкретных людей

Какие цели преследуют инвесторы, вкладывая деньги в отдельную личность?

VC.RU
Эксклюзивное интервью Стаса Пьехи о проекте «Суперстар! Возвращение» Эксклюзивное интервью Стаса Пьехи о проекте «Суперстар! Возвращение»

Стас Пьеха рассказал об отношении к популярному шоу и творческих планах

Cosmopolitan
Президент русского рэпа: что хотел сказать автор в новом альбоме Оксимирона Президент русского рэпа: что хотел сказать автор в новом альбоме Оксимирона

Каким оказался долгожданный релиз Оксимирона?

Forbes
Как понять, что тобой манипулируют: главный признак, о котором надо знать всем Как понять, что тобой манипулируют: главный признак, о котором надо знать всем

Психологическое насилие может быть столь же опасным, как и физическое

Cosmopolitan
Пять примеров, как автопилот Tesla спасает жизни Пять примеров, как автопилот Tesla спасает жизни

Система автономного вождения способна на многое

Playboy
Искусственный интеллект и нейроморфные вычисления: второе дыхание Искусственный интеллект и нейроморфные вычисления: второе дыхание

Микрочипы постепенно приближаются к человеческому мозгу

Наука
Как сменить профессию и не пожалеть об этом. 3 совета от хедхантера Алены Владимирской Как сменить профессию и не пожалеть об этом. 3 совета от хедхантера Алены Владимирской

Как найти новую специальность?

СНОБ
Открыть в приложении