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 будущий американский самолет может доминировать в воздухе Как будущий американский самолет может доминировать в воздухе

Технологии стелс у российских Су-57, китайских J-20 и американских NGAD

Популярная механика
Как африканцы друг другом торговали: история рабства от древности до наших дней Как африканцы друг другом торговали: история рабства от древности до наших дней

Рабство фактически отменено, но его отголоски все еще приводят к битым витринам

Maxim
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
Ноутбук из Антарктиды и полярный интернет: техника исследовательских станций Ноутбук из Антарктиды и полярный интернет: техника исследовательских станций

Как устроена связь Антарктиды с другими материками и зачем туда летают сисадмины

Популярная механика
Как купить автомобиль на торгах. Инструкция, риски и преимущества Как купить автомобиль на торгах. Инструкция, риски и преимущества

Как купить автомобиль на торгах, не потратив все нервы и силы?

РБК
Гадание на воске: как гадать и расшифровать значение фигур Гадание на воске: как гадать и расшифровать значение фигур

Гадание на воске дошло до нас практически в неизменном с древних времен виде

Cosmopolitan
5 лучших приложений для знакомств с девушками: личный опыт блогера, которого забанили в Tinder 5 лучших приложений для знакомств с девушками: личный опыт блогера, которого забанили в Tinder

Лучшие приложения для знакомств и их специфика

Playboy
«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
Живые ёлки напрокат: сколько стоит реализовать экопроект и можно ли на нём заработать Живые ёлки напрокат: сколько стоит реализовать экопроект и можно ли на нём заработать

Как маркетолог Любовь Чернышева основала проект «Живые ёлки напрокат»

VC.RU
Автор особого назначения Автор особого назначения

Мария Степанова о романах Татьяны Устиновой

Weekend
«Новые технологии стерли былые социальные перегородки» «Новые технологии стерли былые социальные перегородки»

Пятерка главных «гуманитарных» трендов, изменивших мир за 15 лет

РБК
Святой Неаполь: каким получился фильм «Рука Бога» Святой Неаполь: каким получился фильм «Рука Бога»

О чем, о ком и зачем снял свой новый фильм «Рука Бога» Паоло Соррентино

РБК
Ученые предложили новую модель темной материи с тяжелыми составными частицами Ученые предложили новую модель темной материи с тяжелыми составными частицами

Группа физиков-теоретиков предложила новую модель темной материи

N+1
«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
«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
Трагедия в Хатыни: кто и почему уничтожил белорусскую деревню Трагедия в Хатыни: кто и почему уничтожил белорусскую деревню

Есть события, которые нельзя забывать. Одно из них — трагедия в Хатыни.

Cosmopolitan
56 м² 56 м²

Мария Катарьян деликатно подчеркнула в интерьере возраст дома

AD
Мотоцикл в качестве бонуса и зарплата $92 тысячи в год: как ИТ-компании в Индии привлекают таланты Мотоцикл в качестве бонуса и зарплата $92 тысячи в год: как ИТ-компании в Индии привлекают таланты

Почему Индия переживает крупнейший за восемь лет бум найма сотрудников

VC.RU
Волшебная банка: вся правда о протеине Волшебная банка: вся правда о протеине

Протеин — кому, когда и сколько надо

Playboy
Неожиданные образы и эксперименты с укладкой — почему парики снова в тренде Неожиданные образы и эксперименты с укладкой — почему парики снова в тренде

Парик становится неотъемлемым бьюти-аксессуаром

Cosmopolitan
Возвращение легенды: кто и зачем строит копии затонувшего Титаника Возвращение легенды: кто и зачем строит копии затонувшего Титаника

Хотите забронировать себе круиз на "Титанике"?

Популярная механика
Топ-10 самых успешных (и богатых) российских спортсменов 2021 года Топ-10 самых успешных (и богатых) российских спортсменов 2021 года

Кто в 2021-м был самым успешным спорсменом и обогатился больше остальных

Maxim
Российские археологи представили три античных клада пантикапейкских монет из Крыма Российские археологи представили три античных клада пантикапейкских монет из Крыма

В распоряжении ученых оказались 96 монет и серебряные женские серьги

N+1
Этика wow-опыта Этика wow-опыта

Приоткрываем дверь в мир закрытых секс-вечеринок

Playboy
Солнечные панели, улавливающие и свет, и тепло: удвоим ресурс Солнечные панели, улавливающие и свет, и тепло: удвоим ресурс

Как преобразовать солнечное тепло в полезную энергию?

Популярная механика
Что такое «эффект прожектора» и как перестать все преувеличивать Что такое «эффект прожектора» и как перестать все преувеличивать

«Эффект прожектора». Разбираемся, что это такое и как с этим жить

РБК
Факты о норвежской лесной кошке Факты о норвежской лесной кошке

Пушистые, социальные, похожие на рысь — что мы знаем о норвежских лесных кошках?

Популярная механика
Рост на 64%, ESG и новые сервисы: как меняется рынок лизинга Рост на 64%, ESG и новые сервисы: как меняется рынок лизинга

Об ESG-портфеле, проекте «Автомобиль по подписке» и о направлениях отрасли

Forbes
«Уравнение Бога: В поисках теории всего» «Уравнение Бога: В поисках теории всего»

Отрывок из книги «Уравнение Бога» — о квантовой теории

N+1
Специальный проект — Гороскоп 2022 Специальный проект — Гороскоп 2022

Астрологический прогноз на весь 2022 год

Vogue
Открыть в приложении