Номер 6.30, страница 31 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 6. Плавление и кристаллизация - номер 6.30, страница 31.

Условие.

6.30. В одном из стихотворений А. С. Пушкина есть такие строки:

Опрятней модного паркета

Блистает речка, льдом одета.

Мальчишек радостный народ

Коньками звучно режет лед.

Почему коньки хорошо скользят по льду? Почему в сильные морозы скольжение заметно ухудшается?

Решение.

Почему коньки хорошо скользят по льду?

Хорошее скольжение коньков по льду объясняется образованием тонкого слоя жидкой воды между лезвием конька и поверхностью льда. Этот слой воды действует как смазка, значительно уменьшая силу трения. Существует два основных механизма, объясняющих появление этой водяной плёнки.

1. Плавление под давлением. Лезвие конька очень тонкое, поэтому вес человека концентрируется на очень маленькой площади. Давление $\text{P}$ под лезвием, равное отношению силы давления $\text{F}$ (веса человека) к площади опоры $\text{S}$, достигает очень больших значений: $P = F/S$. Особенностью воды является то, что при увеличении давления температура её плавления понижается. Под высоким давлением лёд начинает плавиться при температуре ниже $\text{0}$ °C. В результате образуется тонкая плёнка воды, по которой и скользит конёк.

2. Нагрев за счёт трения. При движении конька по льду возникает сила трения, которая совершает работу. Эта работа превращается в теплоту, которая нагревает и плавит лёд непосредственно под лезвием. Этот механизм вносит существенный вклад в образование водяной плёнки, особенно при движении с большой скоростью и при низких температурах, когда одного лишь давления недостаточно для плавления льда.

Ответ: Коньки хорошо скользят по льду потому, что под высоким давлением лезвия и из-за выделения теплоты при трении под ним образуется тонкий слой воды, который действует как смазка и резко уменьшает трение.

Почему в сильные морозы скольжение заметно ухудшается?

Ухудшение скольжения в сильные морозы напрямую связано с теми же механизмами, которые обеспечивают хорошее скольжение при температурах, близких к нулю.

Когда температура воздуха и льда очень низкая (например, ниже $-20$ °C), давления, создаваемого лезвием конька, становится недостаточно, чтобы понизить температуру плавления льда до температуры окружающей среды. Лёд под коньком перестаёт плавиться только за счёт давления.

Теплоты, выделяющейся при трении, также может быть недостаточно для образования устойчивой водяной прослойки. Во-первых, чтобы расплавить очень холодный лёд, его сначала нужно нагреть до $\text{0}$ °C, а уже потом сообщить ему теплоту плавления, на что требуется значительно больше энергии. Во-вторых, выделяемое при трении тепло быстро поглощается большой массой холодного льда и рассеивается, не успевая создать смазывающий слой.

В результате при сильном морозе смазывающий слой воды под лезвием конька либо не образуется совсем, либо он слишком тонкий. Скольжение происходит практически по сухому и твёрдому льду. Коэффициент трения скольжения стали по твёрдому льду значительно выше, чем при наличии водяной смазки, что и приводит к заметному ухудшению скольжения.

Ответ: В сильные морозы скольжение ухудшается, потому что давления конька и тепла от трения становится недостаточно для образования смазывающей водяной плёнки на поверхности очень холодного и твёрдого льда. Трение между коньком и твёрдым льдом значительно выше.