Почему лёд скользкий даже при сильном морозе

Лёд скользкий из-за необычного поведения молекул воды на его поверхности. Они обладают большей подвижностью, чем молекулы внутри кристалла, и при определённых условиях образуют тончайший квазижидкий слой, уменьшающий трение. Во время движения дополнительное влияние оказывают давление, нагрев и свойства соприкасающихся материалов.

Распространённое представление о том, что лёд становится скользким исключительно потому, что тает под ногами или лезвиями коньков, не объясняет всех наблюдений. Низкое трение возможно даже при температуре значительно ниже нуля, когда давления недостаточно для обычного плавления.

Почему поверхность льда отличается от других твёрдых материалов

Внутри обычного льда молекулы воды H₂O образуют упорядоченную кристаллическую структуру. Они соединены водородными связями, формирующими пространственную решётку. Особенности этой структуры объясняют, почему вода расширяется при замерзании и почему лёд имеет меньшую плотность, чем жидкая вода.

Однако на поверхности кристалла условия отличаются. У внешних молекул меньше соседей, поэтому часть водородных связей отсутствует или ослаблена. Это позволяет им легче перемещаться и перестраиваться. В результате при определённых температурах возникает область с повышенной молекулярной подвижностью, которую называют квазижидким слоем.

В отличие от обычной воды, этот слой может обладать другими значениями вязкости и сопротивления деформации. Его свойства зависят от температуры, чистоты льда и материала, с которым он соприкасается. Вблизи температуры плавления толщина квазижидкой области может достигать нескольких нанометров и более. Один нанометр равен одной миллиардной доле метра, а характерный размер молекулы воды составляет приблизительно 0,3 нанометра.

При понижении температуры поверхностный слой обычно становится тоньше, а подвижность молекул уменьшается. Это явление известно как поверхностное предплавление: структура внешних молекулярных слоёв может становиться менее упорядоченной ещё до достижения температуры обычного плавления. При этом квазижидкая область не обязательно обладает свойствами привычной жидкой воды.

Почему давление не объясняет скользкость льда

Долгое время считалось, что коньки хорошо скользят потому, что масса человека создаёт высокое давление на узкое металлическое лезвие. Под ним лёд плавится, а образовавшаяся вода уменьшает трение. У этого объяснения есть физическое основание: в отличие от большинства веществ, температура плавления обычного льда при умеренном увеличении давления немного снижается.

Причина заключается в том, что жидкая вода при температуре около 0 °C плотнее льда. Повышенное давление способствует состоянию, занимающему меньший объём. Однако величина этого эффекта невелика: чтобы понизить температуру плавления примерно на 1 °C, требуется давление порядка 13–14 мегапаскалей — приблизительно в 130 раз выше нормального атмосферного давления.

Для плавления льда при −10 °C за счёт одного только давления понадобилась бы нагрузка, создающая уже сотни атмосфер. Кроме того, при больших давлениях лёд способен деформироваться или разрушаться. Такой механизм не может объяснить, почему человек поскальзывается в обычной обуви, распределяющей вес тела по сравнительно большой площади.

В экспериментальном исследовании трения льда, опубликованном в Physical Review X, было установлено, что увеличение контактного давления в определённых условиях даже повышает сопротивление скольжению. Следовательно, давление влияет на трение, но не является его единственной или главной причиной во всех ситуациях.

Как трение изменяет ледяную поверхность

При движении конька, лыжи или подошвы обуви по льду часть механической энергии превращается в тепло. Температура непосредственно в области контакта может повышаться, даже если окружающий воздух остаётся холодным. Этот нагрев способен увеличить подвижность поверхностных молекул и изменить механические свойства квазижидкого слоя.

В исследовании механизма скользкости льда, принятом к публикации в Physical Review Letters в октябре 2026 года, физики объединили молекулярное моделирование контакта льда со стеклом с расчётами нагрева при трении. В рассмотренных условиях нагрев увеличивал толщину поверхностного слоя примерно в десять раз и уменьшал его эффективную вязкость приблизительно в сто раз. Для объяснения снижения трения исследователям не потребовалось предполагать обычное плавление льда.

Таким образом, поверхность может обладать повышенной молекулярной подвижностью ещё до начала движения, а выделяющееся при скольжении тепло дополнительно изменяет её свойства. Это объясняет, почему характер трения зависит не только от температуры воздуха, но и от скорости движения и условий контакта.

Почему лёд остаётся скользким при сильном морозе

С понижением температуры движение поверхностных молекул замедляется, а сопротивление скольжению во многих условиях увеличивается. Поэтому утверждение, что чем холоднее лёд, тем он более скользкий, неверно. При температурах около −5…−10 °C лёд часто обеспечивает хорошее скольжение коньков, но при значительно более сильном морозе поверхностные молекулы становятся менее подвижными, а механические свойства льда изменяются.

В исследовании молекулярной природы трения учёные связали скользкость с поведением молекул, участвующих в менее прочных водородных связях на поверхности кристалла. При повышении температуры подвижность таких молекул возрастает, что может облегчать скольжение.

Однако универсальной температуры, при которой лёд всегда наиболее скользкий, не существует. Результат зависит от скорости движения, контактного давления, состояния поверхности и свойств соприкасающегося материала. Поэтому даже при −20 °C лёд может оставаться опасным для пешеходов, хотя его поверхность уже заметно отличается от поверхности льда вблизи точки плавления.

Почему коньки скользят, а обувь теряет сцепление

При катании на коньках человек использует особенности взаимодействия металлического лезвия с ледяной поверхностью. Во время прямолинейного движения сопротивление сравнительно невелико, что позволяет сохранять скорость после каждого толчка. Но для поворотов и торможения необходимо сцепление. Фигуристы и хоккеисты получают его, изменяя наклон лезвия и используя кромки, которые частично врезаются в лёд.

Таким образом, конёк способен одновременно обеспечивать лёгкое скольжение вперёд и сопротивление боковому смещению. При температуре, близкой к нулю, лёд становится мягче, поэтому лезвие может глубже проникать в поверхность, затрачивая энергию на образование борозды. По этой причине слишком мягкий лёд не обязательно обеспечивает лучшее скольжение.

Почему обычная обувь скользит по льду

При ходьбе человеку необходимо отталкиваться от поверхности, создавая горизонтальную силу. Если сцепления недостаточно, подошва начинает проскальзывать. На сухом асфальте резиновая подошва взаимодействует с многочисленными микроскопическими неровностями покрытия, а деформация резины и силы сцепления помогают удерживать ногу.

Гладкий лёд обеспечивает другое взаимодействие. Подвижный поверхностный слой способен существенно уменьшать сопротивление сдвигу, а обычный рисунок протектора не всегда позволяет надёжно зацепиться за твёрдую ледяную поверхность. Особенно опасен переход с сухого покрытия на гладкий лёд: человек продолжает двигаться с привычным усилием, хотя доступная сила трения резко уменьшается.

Наличие воды на поверхности также влияет на сцепление, однако не всегда уменьшает трение. Результат зависит от толщины водяного слоя, скорости движения и материала подошвы. Поэтому зимнюю обувь нельзя оценивать исключительно по глубине протектора: важны состав резины, её эластичность при низких температурах и особенности контакта со льдом.

Почему снег обычно менее скользкий, чем лёд

Свежевыпавший снег состоит из множества отдельных ледяных кристаллов, между которыми находятся воздушные промежутки. Когда человек наступает на рыхлый снег, кристаллы смещаются, разрушаются и уплотняются. На эти процессы расходуется энергия, а подошва получает возможность механически взаимодействовать со снежными частицами. Поэтому свежий снег нередко обеспечивает лучшее сцепление, чем сплошная ледяная поверхность.

Однако после многократного прохождения людей или движения автомобилей снег уплотняется. Воздушных промежутков становится меньше, а поверхность делается более твёрдой и ровной. При чередовании оттепелей и морозов уплотнённый снег может частично подтаивать и повторно замерзать, образуя плотную ледяную корку. Именно такие участки часто становятся особенно опасными на тротуарах, лестницах и остановках общественного транспорта.

Различия между снегом и льдом связаны прежде всего с их строением, а не с химическим составом. Впрочем, даже сам лёд может иметь разную внутреннюю структуру. Помимо привычного кристаллического льда, существуют аморфные формы, в которых отсутствует дальний порядок расположения молекул. Одну из них — аморфный лёд средней плотности — удалось получить в лабораторных условиях.

Как песок и соль уменьшают опасность гололедицы

Песок и противогололёдные соли помогают бороться с обледенением, но действуют по-разному. Песок создаёт дополнительные неровности, увеличивающие механическое сцепление подошвы или автомобильной шины с покрытием. При этом он не обязан растапливать лёд. Этот способ полезен при низких температурах, когда химическое плавление затруднено, однако песок постепенно смещается, вдавливается в снег или покрывается новым слоем льда.

Поваренная соль, хлорид натрия NaCl, действует иначе. При растворении в воде она понижает температуру её замерзания. Образующийся рассол способен оставаться жидким при отрицательных температурах, способствуя дальнейшему таянию льда.

Минимальная равновесная температура существования жидкого рассола в системе вода — хлорид натрия составляет приблизительно −21,1 °C при концентрации соли около 23% по массе. Однако в реальных дорожных условиях обычная соль становится значительно менее эффективной уже при температурах порядка −9…−10 °C. На скорость действия влияют влажность, концентрация рассола и температура самого покрытия. Поэтому при сильных морозах могут использоваться другие реагенты или механические способы повышения сцепления.

Как учёные исследуют скользкость льда

Изучение трения осложняется тем, что основные процессы происходят в чрезвычайно тонкой области между льдом и соприкасающимся материалом. Для экспериментов используют специальные измерительные устройства, которые перемещают образцы по льду с контролируемой скоростью и регистрируют возникающие силы.

В исследовании свойств нанометровых плёнок физики использовали небольшой стеклянный шарик, закреплённый на колеблющемся измерительном устройстве. Это позволило оценивать не только силу трения, но и механические характеристики слоя, возникающего между шариком и ледяной поверхностью. Учёные обнаружили, что его вязкость в определённых условиях может превышать вязкость обычной воды примерно в сто раз.

Такие результаты показывают, почему привычное представление о жидкой водяной смазке не всегда подходит для описания контакта со льдом. Компьютерное моделирование дополняет эксперименты, позволяя проследить движение отдельных молекул и изменение водородных связей при давлении, нагреве и сдвиге. Однако расчётные результаты требуют экспериментальной проверки, поскольку поведение реального льда зависит от температуры, примесей, шероховатости и других факторов.

Где применяются исследования трения льда

Понимание молекулярных механизмов скольжения необходимо не только в зимнем спорте. В авиации обледенение крыльев и других поверхностей может ухудшать аэродинамические характеристики самолётов, поэтому используются специальные системы, предотвращающие образование льда или облегчающие его удаление. В энергетике ледяные отложения на лопастях ветроустановок снижают эффективность их работы и создают дополнительные нагрузки.

При разработке автомобильных шин и зимней обуви, напротив, важно повысить сцепление с замёрзшей поверхностью. Здесь необходимо различать два свойства: лёгкость скольжения по льду и прочность его прилипания к материалу. Они связаны, но не тождественны.

В исследовании ледяных поверхностей и полимерных покрытий, опубликованном в Materials Horizons, изучалось движение льда по сверхгладким материалам с наноразмерной шероховатостью. Подобные эксперименты помогают понять, как взаимодействие поверхностей влияет на трение, и могут использоваться при создании покрытий, облегчающих удаление ледяных отложений.

Изучение скользкости льда показывает, насколько сильно свойства привычного материала зависят от процессов на молекулярном уровне. Даже изменения в слое толщиной несколько миллиардных долей метра способны определять поведение коньков, устойчивость человека на зимней дороге и работу технических конструкций в условиях обледенения.