Скользкий слой на поверхности льда оказался непохож на воду

Физики изучили механические свойства пограничного слоя на поверхности льда — они оказались сильно отличающимися от соответствующих параметров воды в объеме. В частности, толщина этого слоя оказалась гораздо меньше теоретически ожидаемой, а вязкость примерно на два порядка больше, чем у чистой воды. Полученные результаты впервые позволяют дать полноценное объяснение легкости скольжения по льду, несмотря на многочисленные исследования по этой теме в прошлом, пишут авторы в журнале Physical Review X.

Гладкие поверхности спрессованного снега и льда обладают удивительно низким коэффициентом трения, что позволяет скользить по ним, например, с помощью коньков или лыж. Это обстоятельство известно людям с древнейших времен и на протяжении как минимум 150 лет привлекало пристальное внимание ученых, пытавшихся найти объяснение этим процессам.

Основная идея, которую обычно используют для описания феномена скользкости льда, — это появление тонкого слоя жидкой воды между льдом и движущимся по нему предметом. Эту гипотезу высказал известный физик Майкл Фарадей в работе 1859 года. Считается, что жидкость возникает при плавлении поверхностного слоя кристаллической фазы. Однако долгая история изучения этого вопроса не позволила досконально разобраться в нем. В частности, оставалось неясным, как вода, которая представляет собой плохой смазочный материал по сравнению с маслами, может настолько уменьшать трение. Также многие параметры жидкого слоя не были измерены непосредственно.

Французские физики под руководством Лидерик Боке (Lydéric Bocquet) из Высшей нормальной школы в Париже описали эксперименты с новым трибометром (прибор для измерения трения скольжения), что впервые позволило измерить свойства именно самого жидкого слоя на поверхности льда. В результате ученым удалось доказать наличие этого слоя, само существование которого ставилось под сомнение, а также измерить его толщину и вязкоупругие свойства.

Основным измеряющим инструментом в работе выступает зонд в виде шарика миллиметрового размера, который прикреплен к механическому резонатору, — модифицированная разновидность камертонного атомно-силового микроскопа. Эта система соответствует пружинному маятнику с добротностью порядка 2500, то есть с очень малым затуханием.

Колебания камертона заставляют зонд двигаться вперед-назад по поверхности льда с известной заранее амплитудой и скоростью. Эксперимент заключается в приведении в контакт зонда с поверхностью ледяного кубика, что меняет частоту колебаний и добротность системы, так как возникающее трение увеличивает диссипацию энергии. Эти изменения можно измерить с высокой точностью, а на их основе вычислить вязкость среды, в которой происходит движение.

Измеренная вязкость слоя оказалась на уровне сотен миллипаскаль-секунд, что примерно в сто раз больше, чем у обычной воды, и соответствует типичным значениям масел. Толщина слоя оказалась на уровне долей микрометра, что значительно меньше большинства теоретических оценок. Также физикам удалось показать, что для воды в пограничном слое свойственна псевдопластичность, то есть уменьшение вязкости при увеличении сдвиговых напряжений, что обычно характерно для неньютоновских жидкостей, таких как насыщенные растворы полимеров.

Исследователи заключают, что данные экспериментов можно интерпретировать как отсутствие полного плавления воды в пограничном слое. Полученные результаты лучше объясняются в предположении, что на поверхности образуется смесь дробленого льда и воды. В дополнительных опытах с гидрофобным зондом трение еще сильнее уменьшилось, что объясняет лучшее скольжение лыж, смазанных водоотталкивающими веществами.