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

Цифровое бессмертие Цифровое бессмертие

Sensorium Galaxy – VR-платформа, которая способна преобразить нашу жизнь

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
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
10 причин никогда не садиться на диету 10 причин никогда не садиться на диету

Современные диетологи категорически против таких методов снижения веса. Почему?

Psychologies
C-25: как создавалась первая советская система ПРО C-25: как создавалась первая советская система ПРО

С-25 – одна из первых в мире систем объектовой противовоздушной обороны

Популярная механика
Придуманная жизнь Придуманная жизнь

Почему основателя Group-IB Илью Сачкова обвиняют в госизмене

Forbes
«Если будешь всех слушать, то проиграешь»: главное из интервью Михаила Токовинина, основателя amoCRM «Если будешь всех слушать, то проиграешь»: главное из интервью Михаила Токовинина, основателя amoCRM

Основатель amoCRM — зачем он нанимает неуверенных в себе людей?

VC.RU
38 м² 38 м²

Квартира с яркой мебелью по проекту Анны Силаичевой

AD
Страх и отвращение в Доме Gucci Страх и отвращение в Доме Gucci

«Дом Гуччи» — история, которая не оправдала возложенных на неё ожиданий

СНОБ
Гипервитаминоз Гипервитаминоз

Чем грозит слишком активное увлечение витаминами

Лиза
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
Собиратели древних тайн Собиратели древних тайн

Где еще искать древние легенды и обычаи народа, как не на рязанской земле?

Отдых в России
Огонь-пожар: как избавиться от изжоги, если терпеть больше нет сил Огонь-пожар: как избавиться от изжоги, если терпеть больше нет сил

От чего возникает изжога и как с ней можно бороться

Playboy
Гагаринской тропой Гагаринской тропой

Мы отправились в Саратов, чтобы еще раз понять и оценить подвиг Юрия Гагарина

Отдых в России
Стать моложе без пластики: как редактор Cosmo избавилась от морщин за 2 месяца Стать моложе без пластики: как редактор Cosmo избавилась от морщин за 2 месяца

Наша сотрудница опробовала инновационный способ экспресс-омоложения

Cosmopolitan
Новокаледонские вороны выше оценили сложные в изготовлении инструменты Новокаледонские вороны выше оценили сложные в изготовлении инструменты

Новокаледонские вороны больше ценят сложные в изготовлении орудия

N+1
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
Жан Бодрийяр Жан Бодрийяр

Правила жизни Жана Бодрийяра

Esquire
Глубоководный карьер: как добыть алмазы со дна океана Глубоководный карьер: как добыть алмазы со дна океана

«Погружение» горнодобывающих компаний на океанское дно

Популярная механика
Время жизни нейтрона измерили с орбиты луны Время жизни нейтрона измерили с орбиты луны

Время жизни нейтрона с орбиты Луны совпало с результатами экспериментов на Земле

N+1
«Я зачем-то спрятал все кроссовки в доме» «Я зачем-то спрятал все кроссовки в доме»

Реальные истории людей-лунатиков

Лиза
Разгадка обратной стороны Луны Разгадка обратной стороны Луны

Факты об обратной стороне Луны, вид которой долгое время был загадкой для ученых

Популярная механика
Таштыкскую могилу с погребальными куклами и мумиями датировали III–IV веком Таштыкскую могилу с погребальными куклами и мумиями датировали III–IV веком

Археологи исследовали органические материалы из Оглахтинского могильника

N+1
Когда вы на грани: что такое нервный срыв и как с ним справиться Когда вы на грани: что такое нервный срыв и как с ним справиться

Что такое нервный срыв, почему он возникает и как себя проявляет

Forbes
Зрелище за 3 млн рублей: как устроен сезонный бизнес организаторов фейерверков Зрелище за 3 млн рублей: как устроен сезонный бизнес организаторов фейерверков

Как готовятся к запуску фейерверка и что может пойти не так?

VC.RU
Патриотическая песня Патриотическая песня

Как композитор Михаил Глинка дважды стал героем сталинской пропаганды

Дилетант
90 м² 90 м²

Собственная квартира Марии и Павла Ивановых из FullHouseDesign

AD
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
«Кто за главного? Свобода воли с точки зрения нейробиологии» «Кто за главного? Свобода воли с точки зрения нейробиологии»

Что нейронауке известно о взаимосвязи разума и мозга

N+1
От железного фаллоса до шествия в гробах: 12 самых диких праздников мира От железного фаллоса до шествия в гробах: 12 самых диких праздников мира

Приготовься к культурному шоку, мы подобрали топ самых безумных праздников мира

Playboy
Открыть в приложении