Для жителей холодных районов зима открывает перспективы веселого времяпрепровождения. Люди стремятся прогуляться на каток, скользят по льду замерзших водоемов и даже опасных скользких дорог и тротуаров. Но далеко не все из них задаются вопросом, почему же лед настолько скользкий.

Любопытный вопрос

Оказывается, ученые и сами до недавнего времени не знали ответа на данный вопрос. Новые исследования показали, что эта скользкость может быть вызвана "лишними" молекулами на самой поверхности льда.

Как выяснилось, старые теории уже не имеют смысла. Ранее считалось, что именно давление, оказываемое на лед, заставляет его быть скользким. Поскольку лед не настолько плотный, как вода, то его температура плавления снижается под действием высоких давлений. То есть верхний слой льда подтаивает под давлением вашего веса. Эта тонкая водяная прослойка между льдом и предметом, оказывающим на него давление, и вызывает скольжение. Но этот слой воды настолько тонкий, что его невозможно увидеть невооруженным глазом.

Опровержение

Ученые уже готовы опровергнуть теорию, которую годами считали справедливой, потому что другого объяснения у них просто не было. Теперь же они утверждают, что для подтаивания льда необходимо оказывать на него слишком большое давление, больше веса слона.

Исследователи опровергли и другую теорию, гласящую о том, что тонкий слой воды может создаваться во время трения, когда вы передвигаетесь по льду. Но его скользкость ведь ощущается все время - не только при движении, но и под действием первого прикосновения. К тому же не все ученые считают, что вода могла бы объяснить скольжение на льду.

Пролитая на пол вода может заставить поверхность скользить, но на полу не будет так сколько, как на льду. Нельзя пояснить это свойство ледяной поверхности и ее гладкостью. Стекло более гладкое, однако его поверхность не такая скользкая, в то время как шероховатый лед и снежная корка скользят порою значительней, чем самый гладкий лед.

Настоящая причина

Открытие удалось сделать двум братьям - Мише и Даниэлю Бонн. Свою статью, описывающую поверхность льда, они опубликовали в научном журнале. Вместо воды на его поверхности оказались свободные молекулы. А скольжение обеспечивается тем, что объект будто катится по множеству мелких шаров.

Сам лед имеет аккуратную закрепившуюся структуру, где каждая молекула прикреплена к трем другим. Но молекулы на его поверхности могут присоединяться только лишь к двум другим. Слабо связанные с остальной прочной поверхностью, они падают, отделяются друг от друга и прикрепляются к другим по мере своего перемещения.

Совсем не вода

Скольжение на льду обеспечивается прокатыванием этих молекул, однако они представляют собой вовсе не воду. Существуя при температурах, которые значительно ниже точки замерзания воды, они больше похожи на газ.

По словам профессора физики из Аляски, лед необычен тем, что мы сталкиваемся с ним близко к точке его плавления. Это единственный материал, который может иметь твердую, жидкую и газообразную фазу в обычный климатических условиях. Изучая лед, ученый испытывал его при температуре -40 °C. В таких условиях его поверхность становилась похожей на наждачную бумагу.

Эти наблюдения подтверждают открытие братьев Бонн. При значительном снижении температуры молекулы уже не имеют столько энергии, чтобы двигаться, разрушая и создавая связи. Поэтому поверхность льда становится шероховатой.

Лучшей температурой, обеспечивающей льду максимальное скольжение, считается -7 °C. Эта информация известна давно. Поэтому большинство катков в течение многих лет используют именно это значение для обеспечения лучшего скольжения по льду.

На гладко натертом полу легче поскользнуться, нежели на обыкновенном. Казалось бы, то же самое должно происходить на льду, т. е. гладкий лед должен быть более скользок, нежели лед бугорчатый, шероховатый.

Но если вам случалось везти нагруженные ручные санки через неровную, бугристую ледяную поверхность, вы могли убедиться, что, вопреки ожиданиям, сани проскальзывали по такой поверхности заметно легче, чем по гладкой. Шероховатый лед более скользок, чем зеркально гладкий!

Это объясняется тем, что скользкость льда зависит главным образом не от гладкости, а от совершенно особой причины: от того, что температура плавления льда понижается при увеличении давления.

Разберем, что происходит, когда мы катаемся в санях или на коньках. Стоя на коньках, мы опираемся на очень маленькую площадь, всего в несколько квадратных миллиметров. И на эту небольшую площадь целиком давит вес нашего тела. Если вы вспомните сказанное в главе второй о давлении, то поймете, что конькобежец давит на лед со значительной силой. Под большим давлением лед тает при пониженной температуре; если, например, лед имеет температуру - 5°, а давление коньков понизило точку плавления льда, попираемого коньками, более чем на 5°, то эти части льда будут таять [Теоретически можно вычислить, что для понижения точки таяния льда на 1° требуется весьма значительное давление в 130 кг на квадратный сантиметр. Производят ли сани или конькобежец такое огромное давление на лед? Если распределить вес саней (или конькобежца) на поверхность полозьев (или коньков), то получатся числа гораздо меньшие. Это доказывает, что ко льду прилегает вплотную далеко не вся поверхность полоза, а лишь незначительная часть ее]. Что же получается?

Теперь между полозьями коньков и льдом находится тонкий слой воды, - неудивительно, что конькобежец скользит. И как только он переместит ноги в другое место, там произойдет то же самое. Всюду под ногами конькобежца лед превращается в тонкий слой воды. Такими свойствами из всех существующих тел обладает только лед; один советский физик назвал его “единственным скользким телом в природе”. Прочие тела гладки, но не скользки.

[При теоретическом расчете предполагается, что при плавлении и лед, и вода находятся под одинаковым давлением. Автор же описывает примеры, когда вода, образующаяся при плавлении, находится при атмосферном давлении. В этом случае требуется меньшее давление для понижения точки таяния льда. - Прим. ред ]

Теперь мы можем вернуться к вопросу о том, гладкий или шероховатый лед более скользок. Мы знаем, что один и тот же груз давит тем сильнее, чем на меньшую площадь он опирается. В каком же случае человек оказывает на опору большее давление: когда он стоит на зеркально гладком или на шероховатом льду? Ясно, что во втором случае: ведь здесь он опирается лишь на немногие выступы и бугорки шероховатой поверхности. А чем больше давление на лед, тем обильнее плавление и, следовательно, лед тем более скользок (если только полоз достаточно широк; для узкого полоза коньков, врезающегося в бугорки, это неприложимо - энергия движения расходуется здесь на срезывание бугорков).

Понижением точки таяния льда под значительным давлением объясняется и множество других явлений обыденной жизни. Благодаря этой особенности льда отдельные куски его смерзаются вместе, если их сильно сдавливать. Мальчик, сжимая в руках комья снега при игре в снежки, бессознательно пользуется именно этим свойством ледяных крупинок (снежинок) смерзаться под усиленным давлением, понижающим температуру их таяния. Катая снежный ком для “снежной бабы”, мы опять-таки пользуемся указанной особенностью льда: снежинки в местах соприкосновения, в нижней части кома, смерзаются под тяжестью надавливающей на них массы. Вы понимаете теперь, конечно, почему в сильные морозы снег образует рассыпающиеся снежки, а “баба” плохо лепится. Под давлением ног прохожих снег на тротуарах постепенно уплотняется в лед: снежинки смерзаются в сплошной пласт.

Задача о ледяных сосульках

Случалось ли вам задумываться над тем, как образуются ледяные сосульки, которые мы часто видим свешивающимися с крыш?
В какую погоду образовались сосульки: в оттепель или в мороз? Бели в оттепель, то как могла замерзнуть вода при температуре выше нуля? Если в мороз, то откуда могла взяться вода на крыше?
Вы видите, что задача не так проста, как кажется сначала. Чтобы могли образоваться ледяные сосульки, нужно в одно и то же время иметь две температуры: для таяния - выше нуля и для замерзания - ниже нуля.

На самом деле так и есть: снег на склоне крыши тает, потому что солнечные лучи нагревают его до температуры выше нуля, а стекающие капли воды у края крыши замерзают, потому что здесь температура ниже нуля. (Конечно, мы говорим не о том случае образования сосулек, который обусловлен теплотой отапливаемого под крышей помещения.)

Рис. 87. Лучи Солнца греют наклонную крышу сильнее, чем горизонтальную земную поверхность
(числа указывают величину углов).

Представьте такую картину. Ясный день; мороз всего в 1 - 2 градуса. Солнце заливает все своими лучами; однако же эти косые лучи не нагревают землю настолько, чтобы снег мог таять. Но на склон крыши, обращенный к Солнцу, лучи падают не полого, как на землю, а круче, под углом, более близким к прямому. Известно, что освещение и нагревание лучами тем больше, чем больший угол составляют лучи с плоскостью, на которую они падают. (Действие лучей пропорционально синусу этого угла; для случая, изображенного на рис. 87, снег на крыше получает тепла в 2,5 раза больше, нежели равная площадь снега на горизонтальной поверхности, потому что синус 60° больше синуса 20° в 2,5 раза.) Вот почему скат крыши нагревается сильнее и снег на нем может таять. Оттаявшая вода стекает и каплями свисает с края крыши. Но под крышей температура ниже нуля, и капля, охлаждаемая к тому же испарением, замерзает. На замерзшую каплю натекает следующая, также замерзающая; затем третья капля, и т. д.; постепенно образуется маленький ледяной бугорок. В другой раз при такой же погоде эти ледяные наплывы еще удлиняются, и в результате образуются сосульки, вырастающие наподобие известковых сталактитов в подземных пещерах. Так возникают сосульки на крышах сараев и вообще неотапливаемых помещений.

Та же причина вызывает на наших глазах и более грандиозные явления: ведь различие в климатических поясах и временах года обусловлено в значительной степени [Но не всецело: другая важная причина заключается в неодинаковой продолжительности дня, т. е. того промежутка времени, в течение которого Солнце согревает Землю. Обе причины, впрочем, обусловлены одним астрономическим фактом: наклоном земной оси к плоскости обращения Земли вокруг Солнца] изменением угла падения солнечных лучей. Солнце от нас зимой почти на таком же расстоянии, как и летом; оно одинаково удалено от полюсов и экватора (различия в расстоянии настолько ничтожны, что не имеют значения). Но наклон солнечных лучей к поверхности Земли близ экватора больше, чем у полюсов; летом этот угол больше, чем зимой. Это вызывает заметные различия в температуре дня и, следовательно, в жизни всей природы.

Почему лед скользкий?

На гладко натертом полу легче поскользнуться, нежели на обыкновенном. Казалось бы, то же самое должно происходить на льду, т. е. гладкий лед должен быть более скользок, нежели лед бугорчатый, шероховатый.

Но если вам случалось везти нагруженные ручные санки через неровную, бугристую ледяную поверхность, вы могли убедиться, что, вопреки ожиданиям, сани проскальзывали по такой поверхности заметно легче, чем по гладкой. Шероховатый лед более скользок, чем зеркально гладкий! Это объясняется тем, что скользкость льда зависит главным образом не от гладкости, а от совершенно особой причины: от того, что температура плавления льда понижается при увеличении давления.

Разберем, что происходит, когда мы катаемся в санях или на коньках. Стоя на коньках, мы опираемся на очень маленькую площадь, всего в несколько квадратных миллиметров. И на эту небольшую площадь целиком давит вес нашего тела. Если вы вспомните сказанное в главе второй о давлении, то поймете, что конькобежец давит на лед со значительной силой. Под большим давлением лед тает при пониженной температуре; если, например, лед имеет температуру?5°, а давление коньков понизило точку плавления льда, попираемого коньками, более чем на 5°, то эти части льда будут таять . Что же получается? Теперь между полозьями коньков и льдом находится тонкий слой воды, – неудивительно, что конькобежец скользит. И как только он переместит ноги в другое место, там произойдет то же самое. Всюду под ногами конькобежца лед превращается в тонкий слой воды. Такими свойствами из всех существующих тел обладает только лед; один советский физик назвал его «единственным скользким телом в природе». Прочие тела гладки, но не скользки.

Теперь мы можем вернуться к вопросу о том, гладкий или шероховатый лед более скользок.

Мы знаем, что один и тот же груз давит тем сильнее, чем на меньшую площадь он опирается.

В каком же случае человек оказывает на опору большее давление: когда он стоит на зеркально гладком или на шероховатом льду? Ясно, что во втором случае: ведь здесь он опирается лишь на немногие выступы и бугорки шероховатой поверхности. А чем больше давление на лед, тем обильнее плавление и, следовательно, лед тем более скользок (если только полоз достаточно широк; для узкого полоза коньков, врезающегося в бугорки, это неприложимо – энергия движения расходуется здесь на срезывание бугорков).

Понижением точки таяния льда под значительным давлением объясняется и множество других явлений обыденной жизни. Благодаря этой особенности льда отдельные куски его смерзаются вместе, если их сильно сдавливать. Мальчик, сжимая в руках комья снега при игре в снежки, бессознательно пользуется именно этим свойством ледяных крупинок (снежинок) смерзаться под усиленным давлением, понижающим температуру их таяния. Катая снежный ком для «снежной бабы», мы опять-таки пользуемся указанной особенностью льда: снежинки в местах соприкосновения, в нижней части кома, смерзаются под тяжестью надавливающей на них массы. Вы понимаете теперь, конечно, почему в сильные морозы снег образует рассыпающиеся снежки, а «баба» плохо лепится. Под давлением ног прохожих снег на тротуарах постепенно уплотняется в лед: снежинки смерзаются в сплошной пласт.

Что лед скользок, знают все, а вот почему лед скользкий - не всякий сумеет объяснить.

Трение между льдом и сталью конька порождает тепло

Лед плавится под давлением

Один английский ученый утверждал, что лед скользок потому, что он обладает замечательной способностью плавиться под давлением - таять.

Конькобежец тяжел, а скользкая поверхность конька мала,

Говорил этот ученый. -

От сильного давления лед слегка плавится, подтаивает. Между скользящей поверхностью конька и льдом образуется тончайшая пленка воды. Эта вода служит естественной смазкой и делает лед скользким.

Такое объяснение в течение долгого времени считалось общепризнанным и правильным. Так было напечатано в старых учебниках и в популярных книгах. Но это объяснение оказалось не совсем верным. Между поверхностью льда и коньком действительно образуется пленка воды, но получить ее одним только давлением нельзя, даже если на коньки поставить слона.

Трение ведет к выделению теплоты

Ошибку разъяснил советский ученый В. Б. Вейнберг . На коньках катаются не только взрослые и толстые люди, обладающие солидным весом. Это любимая забава малышей. Они прекрасно скользят на коньках, хотя давление на лед, оказываемое ими, совсем невелико. Если бы лед под коньком действительно плавился от давления, то кататься на катке можно было бы только при температуре не свыше одного градуса мороза.

От этого тепла и плавится лед, а образовавшаяся при этом водяная пленка создает смазку и облегчает движение конькобежца. Во время очень сильных морозов теплоты, развивающейся от трения, оказывается уже недостаточно, чтобы расплавить лед под коньком. Тогда кататься на катке неприятно - спортсмены говорят, что лед «сухой».

Цель. Развивать познавательную и речевую активность.

Задачи :

1. Познакомить детей со свойствами льда;

2. Показать зависимость силы трения от характера поверхности, значение водяной плёнки в скольжении ;

3. Закреплять умение получать информацию во время видеопросмотра;

делать выводы на основе, проведённых опытов ;

4. Воспитывать самостоятельность, активность.

Предварительная работа : оформление презентации «Почему скользят коньки ?» совместно с родителями, замораживание льда.

Материал : оборудование для просмотра мультимедиа; презентация «Почему скользят коньки ?» ; лэпбук «Про лёд» , листки бумаги, фломастеры, кубики льда, пластиковые тарелки, стаканчики с водой, молоток, лист стекла небольшого размера.

Ход занятия.

I. Организационный момент (2 мин.)

Воспитатель. Идет зима. Прекрасное время года.

Много нам забав чудесных дарит зимушка-зима :

Мы катаемся на санках. Лепим мы снеговика И в хоккей играем дружно, И на лыжах с гор летим. И пора нам в детский садик, А мы вовсе не хотим. (автор : Боровлева Н. А.)

У каждого из вас есть своя любимая игра. О своей любимой игре зимой нам расскажет Савелий.

II. Основная часть (22 мин.)

1. Представление исследовательского проекта ребёнком.

Воспитатель. Вы внимательно слушали рассказ.

А как вы думаете, сможем ли мы с вами повторить исследование Савелия? Или это получилось только у него (ответы детей)

Начиная наше исследование, вспомним, что мы должны узнать. (ответы детей)

2. Проведение детьми опытно- экспериментальной деятельности .

Воспитатель. Давайте проведём опыт : «Свойства льда» .

Возьмите в руки кубик льда.

Какой он внешне?

Какой он на ощупь?

Постучим по кубику льда молотком. Что произошло?

Положите кубик льда в стакан. Посмотрите, утонет ли лёд?

Зажмите кубик льда в ладони. Что происходит со льдом?

(дети выполняют манипуляции со льдом, отвечают на вопросы) .

Обобщение. Лёд прозрачный. Он холодный, гладкий на ощупь. Одновременно твёрдый и хрупкий. Лёд не тонет в воде. В тепле он легко превращается в воду.

Как вы думаете, какое из перечисленных свойств делает лёд скользким ?

(ответы детей)

Для уточнения этого, сравним стекло и лёд.

Опыт «Почему лёд скользкий ?»

Дети рассматривают стекло совместно с воспитателем, сравнивают их внешние свойства.

Обобщение. Стекло и лёд очень похожи : стекло, как и лёд, прозрачное, холодное, гладкое. Одновременно твёрдое и хрупкое.

Но лёд более скользкий , чем стекло. Почему ?

Чтобы ответить на это, расскажите, что происходит с поверхностью льда во время скольжения по нему ?

Проведите пальчиком по льду и стеклу, что происходит с ними (ответы детей)

Обобщение. При воздействии лёд легко тает, образуется вода, которая помогает скольжению , а стекло не тает, поэтому и скользить по нему , как льду, нельзя.

3. Оформление детьми лэпбука «Про лёд» .

Воспитатель. Нарисуйте всё, что вам было особенно интересно и больше понравилось сегодня на занятии.

Дети рисуют запомнившиеся моменты занятия, оформляют совместно с воспитателем лэпбук «Про лёд» .

III. Заключительная часть (1мин.)

Воспитатель. Сегодня мы проводили научные опыты , благодаря которым узнали о свойствах льда; о зависимости быстроты скольжения от характера поверхности, на которой происходит скольжение ; о значение водяной плёнки в скольжении . Вечером поделитесь своими научными открытиями с мамами и папами.