Книга Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

Сила трения как сила временного прилипания может быть преодолена другой, более значительной силой. Это утверждение справедливо для клея любого вида, как бы прочно он ни скреплял поверхности. Приложите к месту склеивания достаточно большую силу, и она разорвет либо силы притяжения (адгезии) между клеем и поверхностью, либо силы сцепления (когезии) в самом клее. Или, если клей достаточно сильный, скрепленные им материалы могут разрушиться, высвободив этот клей, который, надеюсь, не принесет вам никакого вреда.

Скольжение

Если склеивание (постоянное приклеивание) и трение (приклеивание временное) вызваны какими-то силами, то скольжение легче всего описать как отсутствие таких сил. Если вы хотите, чтобы достаточно грубая поверхность скользила по такой же грубой поверхности, вам нужно минимизировать силы трения между ними. Как же?

Чтобы сделать пол скользким, вы должны покрыть его каким-то снижающим трение материалом. Вода подойдет для этого идеально. Будет еще лучше, если в нее вы добавите немного мыла или мыльного порошка. Тогда вода не будет собираться лужицами из-за когезии отдельных капель, а распределится ровно по полу. Мокрый пол может быть скользким по двум причинам. Как мы видели в главе 3, вода не способна сжиматься. Вы не можете заставить ее занять меньший объем. Будучи достаточно плотной и тяжелой, вода нелегко покидает место своего нахождения. Если на вашем пути на покрытом ламинатом полу есть лужица воды и вы наступаете на нее, вода не разбрызгивается моментально по сторонам и не сжимается, как губка. На какое-то мгновение между вашей ногой и полом окажется слой воды. Она не сжимается, но текуча. Когда вы наступаете на нее, она создает своеобразную «подушку» между грубыми поверхностями, снижая силу трения между ними.

Но всё не так просто. Вода на полу – не единый слой вещества вроде цельной доски. Она состоит из нескольких слоев, расположенных друг над другом. Каждый такой слой, называемый lamina (тонкая пластина), может скользить относительно слоев, расположенных под ним. Скорее всего, вы наблюдали это явление на берегу моря. Когда вода относительно спокойна, на прибрежный песок накатывают небольшие волны, под которыми обратно в море скатываются волны, достигшие берега чуть раньше. В общем, водные слои могут легко скользить друг по другу. И когда вы наступаете на мокрый пол, то наступаете на все слои воды. Каждый из них немного сдвигается, но вы успеваете поскользнуться и упасть. Это феномен можно использовать для развлечения, которое называется скимбординг[76]: люди катаются на специальных досках по прибрежному мелководью или мокрому песку. Это пример явления, которое называется ламинарным течением и к которому мы вернемся в главе 15.

Если природа создала самое клейкое на планете вещество (водная бактерия, о которой я рассказывал выше), то должна быть и его полная противоположность. Что же можно считать самым скользким веществом из тех, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни? Это синтетическое соединение под техническим названием PTFE – политетрафторэтилен, которое в быту мы называем тефлоном. Это не пригорающее и скользящее покрытие кухонной утвари, которое не допускает прилипания нашего омлета к сковороде. В природе встречается кое-что еще более скользкое – насекомоядное растение саррацения, по листьям которого мухи, пауки и даже лягушки попадают внутрь своеобразных полых «кувшинов» – стеблей, где и находят свою погибель. Точно так же, как в случае с мокрыми полами или промежуточными слоями воды, в этих растениях образуются слои, которые создают минимальные силы трения[77].

Это лед, детка!

Теоретически ни снег, ни лед не должны быть скользкими. Лед обладает плотной структурой, подошвы ваших ботинок тоже плотные. А мы знаем, что если приблизить друг к другу плотные поверхности – например, шину автомобиля и асфальт, – то создается достаточно большая сила трения, которая способна предотвратить движение объектов друг относительно друга. Так почему же лед скользкий? Обычно это объясняют так: фундаментальные законы физики говорят о том, что при сжатии предметов их температура повышается. Поэтому, например, разогревается ручной насос, когда вы накачиваете им шины своего велосипеда. Так что теоретически, когда вы стоите на льду, вы сжимаете его верхний слой, он разогревается и тает. Между подошвами вашей обуви и твердым льдом возникает тонкий слой воды, который достаточен для того, чтобы стать своего рода смазкой. Вы скользите не по льду, а по тонкому слою воды под вашими ногами. Эту теорию развивают дальше применительно к таким зимним видам спорта, как бег на коньках или фигурное катание: вы стоите на острых и тонких лезвиях, которые эффективнее растапливают лед под ногами и позволяют двигаться по нему с большей скоростью. Для этого нужно очень мало воды, она сразу замерзает после проезда спортсмена, и каток не превращается в озеро[78].

Так, во всяком случае, до сих пор объясняли это ученые, даже такие знаменитые, как лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман[79]. Но наука постоянно развивается и будет развиваться дальше по мере того, как мы стараемся придать более понятные формы нашим «сферическим коровам». Мы уже знаем, что структура льда сложнее, чем мы раньше себе представляли. Истинная причина его скользкости не имеет никакого отношения к давлению на него конькобежца или фигуриста, которого недостаточно для того, чтобы превратить лед в «смазывающий» слой воды. Точного объяснения до сих пор нет, но одна из самых популярных на сегодня теорий состоит в том, что сам лед в своей структуре имеет собственное подобное жидкости покрытие, которое увеличивается в размерах по мере того, как его температура повышается[80]. Лед скользкий потому, что он скользкий. Это природное качество воды, независимо от того, катаетесь вы по льду или нет.

Если вам предстоит идти по льду, как удержаться на ногах? Необходимо максимально увеличить силу трения, поэтому обувь с грубой подошвой, желательно с чем-то вроде микроприсосок, будет идеальным вариантом. Подойдет и обувь с влагопоглощающей подошвой вроде кожаной. Она будет впитывать в себя воду и уменьшать скользкость льда под вами. А как насчет снегоступов? Теоретически более широкие подошвы должны распределять ваш вес на большую площадь, поэтому вам будет в них легче не проваливаться в снег. Но они не так эффективны на льду, где провалиться порой лучше, если это остановит скольжение. Лучший вариант здесь – специальные шипы (они крепятся на обувь), которые сосредоточивают ваш вес на минимальной площади. Как и горный ледоруб, острые концы шипов моментально пробивают поверхностный скользкий слой льда и «вгрызаются» в его плотную структуру.