Загадки кёрлинга: почему скользит камень
Уже пять сотен лет люди используют вращающиеся камни для игры в кёрлинг. После броска игроки корректируют траекторию их движения, натирая щётками лёд.
Спортивные снаряды со временем стали значительно легче по весу и гораздо эффективнее. Однако физики не могут сказать однозначно, правильно ли они понимают механику скольжения камней, сообщило интернет-издание N+1.
Согласно правилам, гранитный камень весом в 20 килограмм после броска должен остановиться в определённой точке скользкой площадки. Дно камня оставляют шероховатым. Это необходимо для его закручивания, но для физиков эта магия остаётся загадкой. Ранее эффект скольжения объясняли плёнкой воды, которая образуется между льдом и скользящей поверхностью.
В случае с кёрлингом возможно несколько механизмов её возникновения. Одно из предположений таково: лёд тает из-за силы давления камня. Также вода может образовываться в результате разогрева поверхности при трении или же плавление происходит за счёт изменений кристаллической структуры льда.
Но лёд не может расплавиться под давлением конька или камня. Более реалистичным кажется объяснение перехода энергии трения в теплоту. Но в жидком состоянии вода — не самая идеальная смазка. У неё низкий коэффициент вязкости. Да и плавление — процесс не мгновенный. С увеличением скорости камень должен скользить хуже.
Учёные выдвинули гипотезу, что вблизи поверхности лёд подтаивает самостоятельно, поскольку верхний слой молекул кристалла движется более свободно. Кристаллическая решётка частично теряет структуру и на молекулах появляется небольшой заряд. Образуется плёнка, вязкость которой зависит от скорости скольжения.
В результате проведённых экспериментов стало понятно, что из-за слабых связей молекулы воды на верхней кромке льда могут сравнительно свободно передвигаться по поверхности, не отрываясь от кристалла. На них-то и происходит скольжение. Диффузионную скользкость льда воспроизвели в компьютерных моделях и выяснили, что молекулы наружных слоев связаны водородными связями. Они способны разрываться и снова образовываться с другими молекулами.
Имеет место зависимость твёрдости льда от температуры. В ходе экспериментов физики пришли к выводу, что под давлением лёгких плоских объектов лёд деформируется упруго, а при скольжении тяжёлых или острых предметов происходит пластическая деформация. Но это не даёт объяснение, почему происходит спрямление траектории движения камня под действием трения щётки.
Более реалистичным представляется другой механизм, который учитывает обработку льда перед игрой. Его обрызгивают водой. Замерзая, капли образуют на его поверхности пебблы — мелкие бугорки, которые делают лёд шероховатым. Таким образом, возникает разница коэффициента трения на разных краях камня. Движения щётки тоже разогревают поверхность льда, меняя коэффициент скольжения перед фронтальной частью камня. Он движется не так быстро, как конёк, не оставляет следов и делает это быстрее, когда перед ним нагревают лёд.
