Скорость, масса, энергия. Физические основы хоккея

Светлана Каменских

Автор, опытный физик и страстный поклонник хоккея, увлекательно объясняет, как законы физики определяют каждый аспект игры. От механики катания на коньках до аэродинамики шайбы — каждая глава раскрывает новые грани взаимодействия науки и спорта. Книга будет интересна как фанатам хоккея, желающим углубить свое понимание игры, так и любителям науки, стремящимся увидеть практическое применение физических законов. Откройте для себя хоккей с научной точки зрения и взгляните на любимую игру по-новому!

Глава 6: Фазовые переходы — как образуется и тает лед

Здравствуй, мой любопытный друг! Рада снова видеть тебя на страницах нашей книги. Сегодня мы с тобой затронем одну из самых «горячих» (или, наоборот, «холодных»? ) тем в физике хоккея — фазовые переходы. Да-да, не удивляйся, именно они, эти загадочные процессы превращения вещества из одного состояния в другое, играют ключевую роль в подготовке ледовой арены к матчу. Но обо всем по порядку!

Для начала давай разберемся, что вообще такое фазовый переход. В физике так называют процесс, при котором вещество переходит из одной фазы (или агрегатного состояния) в другую при изменении внешних условий — температуры, давления и так далее. Самые известные примеры фазовых переходов — плавление (из твердого состояния в жидкое), кипение (из жидкого в газообразное), конденсация (из газообразного в жидкое) и кристаллизация (из жидкого в твердое).

А теперь подумай — каким фазовым переходам подвергается вода, чтобы превратиться в идеальный хоккейный лед? Правильно, кристаллизации! Именно благодаря этому процессу обычная жидкая вода, охлажденная до температуры ниже 0° C, превращается в твердый и прочный лед, по которому так здорово скользить на коньках.

Но не все так просто! Чтобы получить действительно качественный лед для хоккея, мало просто залить арену водой и дождаться, пока она замерзнет. Нужно соблюсти целый ряд условий и пройти несколько стадий. Давай разбираться!

Сначала на арену заливают первый слой воды — так называемую «подложку». Она должна быть очень чистой, без примесей и растворенных газов. Для этого воду предварительно фильтруют, умягчают и даже кипятят — чтобы удалить из нее воздух. Затем воду охлаждают примерно до 60° C и заливают тонким слоем (5—10 мм) на бетонное основание арены, в которое вмонтирована система охлаждения — трубки с хладагентом.

Здесь начинается самое интересное — процесс кристаллизации льда. Под воздействием холода молекулы воды начинают терять энергию и «прилипать» друг к другу, образуя упорядоченные кристаллические структуры. Но! Если охлаждение происходит слишком быстро, кристаллы льда получаются мелкими и хрупкими. А если слишком медленно — лед выходит рыхлым и непрочным. Вот почему так важно контролировать скорость и равномерность охлаждения!

Идеальная скорость охлаждения для хоккейного льда — около 1° C в час. При такой скорости кристаллы льда растут медленно, но верно, образуя прочную и однородную структуру. За процессом следят специальные датчики и компьютеры, которые регулируют температуру хладагента и следят за толщиной льда. Это настоящее искусство — вырастить идеальный лед!

После того, как первый слой льда затвердел, на него наносят специальную белую краску — чтобы лед был контрастным и хорошо видимым. Затем сверху заливают еще несколько слоев воды — так, чтобы общая толщина льда достигла 3—4 см. И на каждом слое процесс кристаллизации повторяется — тысячи и миллионы крошечных кристалликов сплетаются в единое полотно, прочное и гладкое.

Но что же происходит со льдом во время игры? Ведь под коньками хоккеистов он постоянно подвергается огромным нагрузкам! Тут мы с тобой снова возвращаемся к фазовым переходам, только уже в обратном направлении — от твердого к жидкому.

Помнишь, мы говорили о трении в прошлой главе? Так вот, когда конек скользит по льду, он не просто царапает поверхность, но и плавит ее! Под давлением конька тончайший слой льда превращается в воду — и именно по этой микроскопической водяной пленке и скользит лезвие. Этот эффект называется «предплавлением» — когда твердое тело начинает плавиться не при обычной температуре плавления, а чуть раньше, под действием давления.

Но и это еще не все! В процессе игры лед постоянно нагревается — от трения коньков, от тепла прожекторов и даже от дыхания игроков и зрителей. И если бы не система охлаждения под ареной, он бы быстро превратился в кашу. Поэтому между периодами лед обязательно «освежают» — заливают тонким слоем холодной воды, которая мгновенно кристаллизуется, «залечивая» царапины и неровности.

А знаешь ли ты, что фазовые переходы играют роль не только в формировании льда, но и в поведении шайбы? Да-да, та самая вулканизированная резина, из которой сделана шайба, тоже меняет свои свойства при изменении температуры! При низких температурах (на льду) шайба становится твердой и упругой, хорошо держит форму и летит точно. А вот если шайба нагреется (например, от частых ударов клюшкой), она становится мягче и пластичнее. Меняется и коэффициент трения, и отскок от борта, и даже траектория полета! Вот почему опытные игроки стараются чаще менять шайбы по ходу матча.

Кстати, о траекториях. Помнишь знаменитый «гол-фантом» Сидни Кросби в финале Олимпиады-2010? Когда в овертайме он бросил шайбу под перекладину, а она застряла в сетке ворот, и никто, кроме самого Кросби, не понял, что это гол? Так вот, некоторые эксперты считают, что причиной такого странного поведения шайбы могло стать именно изменение ее температуры и свойств в процессе игры. То ли шайба размягчилась и «прилипла» к сетке, то ли, наоборот, стала слишком упругой и отскочила в неожиданном направлении. Точного ответа мы, наверное, никогда не узнаем, но сам факт того, что фазовые переходы могут влиять на исход матча — весьма любопытен!

Ну что, друг мой, не заморозил ли я тебя своими рассказами о кристаллизации и плавлении? Надеюсь, теперь ты будешь смотреть на хоккейный лед не просто как на застывшую воду, а как на динамичную и постоянно меняющуюся субстанцию, в которой каждую секунду происходят миллионы микроскопических фазовых переходов. От твердого к жидкому и обратно, от упорядоченного к хаотичному и снова к упорядоченному — в этом вечном круговороте и есть суть не только хоккея, но и самой жизни!

Конец ознакомительного фрагмента.