Привет! Это канал «Обо всём» — здесь мы берём вопросы, на которые все знают ответ, и проверяем, правда ли он верный. Сегодня — лёд. Вещь, по которой каждый зимой хоть раз проехался на спине, а физики до сих пор пишут статьи о том, что именно там происходит.
Если коротко: лёд скользкий не потому, что ботинок или конёк «давит и плавит» его — давления для этого не хватает в сотни раз. Поверхность льда сама по себе устроена иначе, чем его толща: верхние молекулы держатся слабее и подвижны, почти как в жидкости. При движении к этому добавляются нагрев от трения и разрушение кристалла в точке контакта. Какой из механизмов главный — спорят до сих пор: в 2018-м, 2019-м и 2025-м выходили работы, которые тянут одеяло в разные стороны. Зато все сходятся в практическом: самый опасный лёд — около нуля, а в сильный мороз он заметно «цепче».
Школьный ответ: «конёк давит — лёд тает»
Версию, которую многие слышали в школе, придумали ещё в XIX веке. Лёд — редкое вещество, которое при сжатии плавится легче: вода плотнее льда, и если сильно давить, кристаллу «выгоднее» стать жидкостью. Отсюда красивая логика: тонкое лезвие конька давит на лёд огромным давлением, под ним возникает плёнка воды, и человек едет по ней, как по смазке.
Звучит убедительно. Проблема в том, что эффект существует, но он крошечный. Точка плавления льда снижается примерно на 0,0075 °C на каждую атмосферу давления. Чтобы расплавить лёд, который лежит при −10 °C, нужно давить с силой около 1300 атмосфер (порядка 130 мегапаскалей).
Считаем для обычного человека
Возьмём пешехода весом 70 кг. Подошва зимнего ботинка — грубо 250 квадратных сантиметров. Давление выходит около 0,03 МПа, то есть точка плавления сдвигается примерно на две тысячных градуса. Даже если наступить одним каблуком площадью 30 см², получим около 0,2 МПа и сдвиг на пару сотых градуса. При −5 °C на улице этого не хватит ни при каком раскладе — а поскользнуться при −5 проще простого.
С коньком цифры выглядят лучше, но всё равно мимо. Если лезвие касается льда полоской 3 мм на 3 см, давление будет порядка 8 МПа — это сдвиг около полуградуса. При −10 °C конёк недотягивает до плавления примерно в 17 раз. А на конькобежных катках лёд специально держат около −7 °C, и катаются люди и в двадцатиградусный мороз.
Именно поэтому физики давно считают «плавление давлением» в лучшем случае поправкой, а не объяснением. В 2025 году группа Мартина Мюзера из Саарского университета сформулировала это совсем жёстко: ни давление, ни трение не играют существенной роли в образовании тонкого жидкого слоя на льду — к их версии мы ещё вернёмся.
Версия вторая: лёд плавит трение
Следующая гипотеза появилась в 1939 году: британские физики Фрэнк Боуден и Т. Хьюз в работе «Механизм скольжения по льду и снегу» предположили, что смазку создаёт тепло трения. Лыжа или конёк скользит, в точке контакта выделяется энергия, тончайший слой льда подтаивает — и дальше движение идёт уже по воде.
Эта версия гораздо лучше объясняет быстрое скольжение — лыжи, бобслей, коньки на скорости. Её частично подтвердили и современные измерения. В 2019 году группа физиков из Высшей нормальной школы (ENS) и Политехнической школы в Париже протащила по льду крошечный шарик и прямо в процессе измерила свойства плёнки под ним. Оказалось, трение действительно создаёт плёнку воды толщиной от сотен нанометров до микрона, но это не обычная вода: она вязкая, как масло, и больше похожа на смесь воды с ледяной крошкой.
Но у трения есть очевидная слабость. Чтобы лёд нагрелся, по нему надо уже скользить. А пешеход падает часто на первом же шаге, когда нога только встаёт на лёд и почти не движется. Значит, скользкость есть и до всякого нагрева. Откуда?
Плёнка, которая есть всегда
Ещё в середине XIX века Майкл Фарадей предположил странную вещь: поверхность льда покрыта тонким слоем, похожим на жидкость, даже когда вокруг заметно ниже нуля. Почти сто лет на это не обращали внимания, но сегодня это общепринятый факт. Его называют предплавлением, а сам слой — квазижидким.
Логика простая. Молекула воды в толще льда сцеплена с соседями водородными связями со всех сторон — она зажата в кристалле. А у молекулы на самой поверхности соседей сверху нет. Связей меньше, держится она слабее и может «гулять». Чем ближе к нулю, тем таких беглецов больше и тем толще этот разупорядоченный слой.
Катящиеся молекулы: работа 2018 года
В 2018 году физики из Амстердамского университета, института AMOLF и Института исследования полимеров Общества Макса Планка измерили трение стального шарика по льду в огромном диапазоне — от −100 °C до нуля, и сопоставили это с компьютерным моделированием поверхности. Результат вышел в журнале J. Phys. Chem. Lett.: при −100 °C лёд ведёт себя как обычное твёрдое тело с коэффициентом трения около 0,5, а к −7 °C трение падает до 0,01 — это уровень скольжения настоящего конька.
Моделирование показало, что на поверхности есть два сорта молекул: «прикреплённые» тремя водородными связями и «подвижные» — только двумя. Подвижные буквально катаются по льду, как крошечные шарики, за счёт тепловых колебаний. Энергия, нужная им для этого движения, совпала с той, что получилась из опытов по трению. Отсюда вывод авторов: лёд скользкий, потому что его верхний слой молекул легко сдвигается — как шарикоподшипник из воды. Важная деталь из той же работы: трение в их опытах почти не зависело от давления, а нагрев от трения роли не играл.
Если объяснять ребёнку
Почему лёд скользкий — так можно объяснить детям. Представь, что лёд — это огромная коробка, где все мячики крепко держатся за руки с соседями. А на самом верху мячикам не за кого держаться сверху, поэтому они держатся слабее и перекатываются. Когда ты ставишь на лёд ногу, ботинок едет по этим перекатывающимся мячикам. В сильный мороз мячики «замерзают» и почти не катаются — поэтому лёд становится шершавее. А когда около нуля сверху ещё и выступает настоящая вода, получается самая скользкая дорожка.
2025 год: лёд «жидкеет» без плавления — и спор продолжается
Казалось бы, вопрос закрыт: подвижный слой — и всё. Но в августе 2025 года в Physical Review Letters вышла работа Ахрафа Атилы, Сергея Сухомлинова и Мартина Мюзера с выразительным названием «Холодная самосмазка скользящего льда». Их компьютерные модели показали: когда к льду прижимается и сдвигается другое тело, кристалл на границе переходит в жидкоподобное состояние не потому, что нагрелся, а потому, что его механически «перемешали». Авторы называют это аморфизацией: упорядоченная решётка рассыпается в беспорядочную массу.
В пресс-релизе университета главную роль отдают диполям — у молекулы воды есть «плюсовой» и «минусовой» край, и у материала подошвы тоже. Когда они встречаются, взаимодействие диполей ломает порядок в верхнем слое льда. Самое неожиданное: такой слой, по их расчётам, образуется даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Правда, там он вязче мёда, и ездить по нему практически невозможно.
Есть и оговорка, которую в новостях обычно опускают. В самой статье сказано: чтобы трение стало по-настоящему маленьким, недостаточно разрушенного слоя — нужно, чтобы вода проскальзывала относительно водоотталкивающей поверхности или чтобы воды было с избытком, например на очень высокой скорости. То есть картина снова составная: материал подошвы, скорость, температура и количество воды работают вместе.
Обратите внимание на разницу подходов. Амстердамская работа опиралась на эксперимент плюс модель свободной поверхности льда. Работа 2025 года — чистое моделирование контакта двух тел. Французская работа 2019 года — эксперимент, который показал, что трение всё же создаёт плёнку. Они не столько опровергают друг друга, сколько освещают разные режимы: стоящий человек, медленный шаг, быстрые коньки. Поэтому честный ответ на вопрос «почему лёд скользкий» звучит так: из-за особого верхнего слоя, а вот вклад каждого механизма в нём физики пока делят.
Почему в сильный мороз лёд «цепче», а у нуля опаснее всего
Теперь становится понятно, почему старые полярные и лыжные истории про «снег как песок» в сильные морозы не выдумка. Подвижных молекул на поверхности при низкой температуре всё меньше, и они медленнее. В опытах 2018 года трение плавно росло с понижением температуры и к −100 °C стало таким же, как у обычных твёрдых тел. Работа 2025 года говорит о том же другими словами: слой есть, но густой, как мёд.
А у самого нуля добавляется то, чего нет при морозе, — настоящая жидкая вода. Лёд подтаивает сверху от солнца, от оттепели, от тёплой подошвы, и на нём лежит плёнка воды. Мягкая резиновая подошва на такой плёнке почти не держится. В исследовании шведских и финских специалистов по охране труда подошвы зимней обуви проверяли на двух видах льда: на твёрдом холодном льду коэффициент трения новых подошв был около 0,18, а на тающем — около 0,055, втрое меньше. Там же отмечено, что на тающем льду даже шершавая, потёртая подошва не помогает.
Любопытно, что стальной шарик в амстердамских опытах у самого нуля, наоборот, стал тормозить сильнее: лёд размягчился, и шарик начал вспахивать в нём борозду. Для конька это заметно, для плоской резиновой подошвы — нет: она не врезается в лёд, а лежит на водяной плёнке.
Ещё одна причина, по которой оттепель коварна, — погода сама делает лёд гладким. Днём снег и лужи тают, ночью замерзают ровной коркой без шероховатостей, а утром эту корку снова покрывает тонкий слой воды. Получается самое неудачное сочетание: идеально гладкая поверхность плюс жидкая смазка сверху.
Соль и песок работают по-разному
Дворники борются с гололедицей двумя способами, и устроены они противоположно.
Соль убирает сам лёд. Солёная вода замерзает при более низкой температуре, чем пресная. Соль растворяется в той самой поверхностной плёнке, получается рассол, он подъедает лёд, а лёд разбавляет рассол — и так, пока соль не кончится или рассол не станет слишком слабым. У этого есть предел. Для поваренной соли самая низкая точка замерзания раствора — около −21 °C при концентрации 23,3%, так указано в руководстве Федерального управления автодорог США по противогололёдной обработке. На практике раствор по мере таяния разбавляется, поэтому в сильный мороз соль работает слабо и медленно. А сразу после обработки на дороге появляется та самая жидкая вода, которая делает лёд у нуля особенно скользким, — пока лёд не растаял целиком, такая каша может быть коварнее сухого льда.
Песок ничего не плавит. Он просто добавляет шероховатость: песчинки вмерзают в лёд или лежат на нём, и подошва цепляется за них, как за наждачку. Поэтому песок одинаково работает и в −5, и в −30. Его слабости в другом: свежий снег прячет песок, а вода и шаги его разносят. Отсюда и популярные смеси, где соль растапливает, а песок даёт сцепление.
Что из механизма следует для пешехода
Из физики выше выводы получаются сами собой, без всяких списков правил.
Самая опасная температура — не −20, а от нуля до нескольких градусов мороза, особенно после оттепели. Это противоречит интуиции «чем холоднее, тем больше льда и тем скользче», но лёд в сильный мороз на самом деле шершавее.
Блестящий, мокрый на вид лёд — это лёд с водяной плёнкой, и он самый скользкий. Матовый или припорошенный — цепче. Глаз здесь работает как неплохой датчик.
Скользить начинаешь уже на первом шаге: верхний слой подвижен ещё до всякого трения. Поэтому опасен именно момент постановки ноги на лёд и перенос веса, а не только долгий проезд.
Обработанный солью тротуар в оттепель — тоже не гарантия: пока лёд не стаял полностью, сверху лежит рассол. Песок зато работает в любую погоду, пока его не засыпало снегом.
И последнее: вес и давление на скольжение почти не влияют. Наступать «сильнее» или «легче» бессмысленно с точки зрения плавления — роль играет то, сколько воды и подвижных молекул между подошвой и льдом.
Если хочется продолжить зимнюю физику, у нас есть разборы, как из прозрачного льда получается белый снег и откуда на стекле ледяные ёлочки:
Коротко
— Школьная версия «давление плавит лёд» не сходится с расчётом: пешеходу не хватает давления в сотни раз, коньку при −10 °C — примерно в 17 раз.
— Трение действительно создаёт плёнку воды при быстром скольжении, но не объясняет, почему скользко стоять.
— Поверхность льда всегда покрыта подвижным, почти жидким слоем молекул; к нулю его становится больше.
— В 2025 году появилась версия «холодной аморфизации»: кристалл разрушается от контакта, а не от тепла. Спор о вкладе каждого механизма не закрыт.
— В сильный мороз лёд цепче, около нуля — опаснее всего: для обуви тающий лёд втрое скользче твёрдого.
— Соль убирает лёд, но слабеет в мороз; песок не плавит, а добавляет шероховатость.
Пока нет комментариев