Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Ответ на этот вопрос они получили, когда один из полицейских обнаружил едва заметные следы крови на камнедробилке, стоявшей рядом с большим баком, наполненным сжиженным воздухом. Очевидно, Дигби окунули в бак, заморозили, а потом с помощью машины размололи в порошок, который распылили до прихода полиции. Без тела полицейским только и оставалось, что ужаснуться своей догадке.

Что определяет форму снежных кристаллов — снежинок?

ОТВЕТ •Этот вопрос лишь кажется простым, окончательный ответ на него еще только предстоит получить. Сначала зародыш кристалла образуется на частичке пыли. Молекулы воды постепенно собираются вместе, они сильнее взаимодействуют и образуют гексагональную структуру. Говорят, что такая структура имеет ось симметрии шестого порядка , поскольку кристалл состоит из шести практически идентичных секций, группирующихся (наподобие кусков торта) вокруг центра. По мере роста кристалла новые молекулы мигрируют (диффундируют) по поверхности, пока не пристроятся к нему. Рост кристалла происходит главным образом вдоль его ребер и вершин, поскольку именно здесь кристалл максимально взаимодействует с парами воды в воздухе.

Число способов, которыми новые молекулы могут пристроиться к растущему кристаллу, огромно. Это число зависит от температуры и плотности водяного пара вблизи кристалла. При одних значениях внешних параметров кристаллы растут в виде пластинок, при других могут образовываться полые столбики и призмы, иглы или звездочки. Тот факт, что при росте снежинки симметрия сохраняется, вызывает удивление. Предлагалось много механизмов, которые должны были объяснить, почему на противоположных концах снежинки узор и скорость роста практически идентичны. Однако снежинка — достаточно маленький кристалл, и можно предположить, что везде вокруг нее внешние условия одинаковы и они, по-видимому, определяют форму и рост снежинки. Другая версия предполагает наличие обратной связи : если какой-то луч случайно оказался короче, то он имеет б о льшую частоту колебаний, что ускоряет перемешивание воздуха и оседание молекул воды из атмосферы.

Хотя большинство снежинок обладает симметрией шестого порядка, имеются фотографии снежинок и более высокой симметрии (12-го, 18-го и 24-го порядка). Однако, скорее всего, это объединившиеся вместе две или несколько снежинок, каждая из которых имеет, как обычно, симметрию шестого порядка.

Почему лыжи скользят по снегу?

ОТВЕТ •Лыжи плавно скользят по лыжне, поскольку из-за их трения о снег в тонком слое под ними снег подтаивает. Этот слой играет роль смазки. Чем быстрее движется лыжник, тем больше тепла выделяется благодаря трению и, следовательно, тем лучше скольжение. Если двигаться медленно, тепла выделяется мало, и лыжи скользят плохо.

Лыжи лучше делать из материала с низкой теплопроводностью. В этом случае тепло плохо отводится на верхнюю поверхность лыж и больше тепловой энергии приходится на площадь контакта лыж со снегом. Выкрашенные в темный цвет лыжи поглощают больше инфракрасного излучения солнца и могут оказаться теплее светлых лыж. В таком случае даже в пасмурный день при рассеянном свете темные лыжи обеспечивают лучшую смазку.

Если снег очень холодный, за счет трения лыж о снег обеспечить хорошую смазку не получается, и кататься на лыжах трудно. Тащить сани на лыжных полозьях по такому холодному снегу очень тяжело, и некоторые полярники считают, что это так же трудно, как тащить сани по песку.

Лыжи могут плавно скользить по снегу еще и потому, что воздух, остающийся между снегом и лыжами, уменьшает трение и тоже поддерживает лыжи. Такой механизм особенно эффективен при быстром движении. В этом случае лыжи отчасти напоминают судно на воздушной подушке.

Почему коньки скользят по льду? Может ли лед быть слишком холодным для катания на коньках? Труднее ли кататься на коньках, если температура льда чуть ниже точки замерзания? Почему можно слепить снежок и почему он не лепится, если снег слишком холодный?

ОТВЕТ •Как и лыжи, коньки скользят по льду только благодаря смазке, роль которой играет вода, либо изначально имеющаяся на ледяной поверхности, либо образующаяся при таянии льда за счет трения при движении коньков. В результате трения нагреваются и лезвия коньков, и лед под коньками, а также капельки воды и кусочки льда, отброшенные в сторону движущимися лезвиями коньков. Если на ледяной поверхности слишком много воды, появляется сила сопротивления, действующая на лезвия коньков и затрудняющая скольжение. Когда температура льда близка к точке замерзания, например при ярком солнце, избыток воды может осложнить катание.

Раньше считалось, что появление слоя водяной смазки обусловлено таянием под давлением . Поскольку лезвия коньков тонкие, давление на лед под ними очень велико. С ростом давления температура замерзания льда становится ниже своего обычного значения, равного 0°C. Иными словами, если лед не слишком холодный, его температура под лезвием конька неожиданно становится выше точки замерзания, и, следовательно, лед должен растаять. Однако ни эксперименты, ни расчеты не подтверждают эту точку зрения.

Хотя в кристалле льда межмолекулярные связи крепко держат молекулы воды на своих местах в кристаллической решетке, на поверхности эти связи не столь сильны. Таяние льда начинается с поверхности. В этом случае говорят о предплавлении или о поверхностном таянии льда . Слабо связанные молекулы, образующие, по современным данным, аморфный слой на поверхности льда, возможно, понижают трение коньков о лед.

Чтобы сделать снежок, надо взять горсть мягкого снега, сжать ее и, похлопывая, слепить небольшой шарик. В процессе «изготовления» снежка одни порции снега скользят относительно других, снег сначала частично тает, а затем замерзает и превращается в лед, связывающий снег. Небольшие участки поверхности снежка, находящиеся в состоянии предплавления, тоже могут замерзнуть, и снежок покрывается корочкой льда. Если снег «мокрый» (быстро тает в руках или на солнце), количество льда в снежке может оказаться настолько большим, что получится не снежок, а ледышка. Конечно, играть в снежки такими ледышками ни в коем случае нельзя, ведь они твердые как камень.

Из слишком холодного снега слепить снежок не удается. Тепла, которое выделяется при трении порций снега друг о друга, недостаточно, чтобы его растопить, и поэтому снег не может превратиться в лед. А когда лед не связывает снег, снежок разваливается.