Оглавление Видео опыты по химии Видео опыты по физике На главную страницу

Химия и Химики № 5 2013

Журнал Химиков-Энтузиастов





Разрезание льда (лед под давлением)


В.Н. Витер, И.Н. Григорьев


Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter


Первые эксперименты
Суть опыта проста: если к тонкой стальной проволоке прикрепить груз и подвесить ее на кусок льда, проволока пройдет сквозь лед и груз падает, но кусок льда остается сплошным - его целостность не нарушается. Эксперимент довольно известный и описан во многих книгах. Для примера приведем описание из книги Г. Низе Игры и научные развлечения (1958) [ссылка]:

ЛЕД ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Натянутая проволока перерезает лед, но линии разреза увидеть нельзя: над режущей лед проволокой он остается совершенно целым. Что же здесь происходит?

Лед тает в том месте, где на его поверхность оказывается сильное давление. Проволока с висящей на ней гирей давит на ледяную подставку, и поэтому лед под проволокой тает.

В образовавшемся тонком слое воды проволока погружается глубже, а над ней вода снова замерзает, потому что на нее уже ничто не давит. Когда проволока перережет весь ледяной брусок и упадет, шов почти невозможно разглядеть: брусок остается почти совершенно неповрежденным.

Таким образом мы выяснили, что точка плавления льда зависит от давления. Напомним, что точкой плавления называется температура, при которой происходит плавление. Чем больше давление, тем выше и точка плавления [K1].

Разрезание льда (лед под давлением)
Наденем на брусок льда тонкую проволочную петлю и подвесим на нее тяжелую гирю. Через каких-нибудь полчаса проволока перережет лед до середины


Это явление широко используется при катании на коньках. Тело конькобежца всей своей тяжестью давит на тонкие полозья коньков, которые поэтому с большой силой врезаются в находящуюся под ними поверхность льда. В результате этого она тут же тает. Образовавшийся тонкий слой воды играет роль смазки - конькобежец легко скользит по льду. Вода играет роль машинного масла, уменьшающего трение. Как только конек сдвинулся с места, давление на лед уменьшилось, и только что образовавшаяся вода тут же замерзла.

Когда мы лепим снежок, часть снега тает и как бы склеивает оставшуюся его массу. Происходит это не столько под влиянием теплоты наших рук, сколько вследствие того давления, которое мы оказываем руками на комок снега.

Это видно хотя бы из того, что сильно сдавив комок снега и потом отпустив его, мы можем получить твердый, как лед, снежный ком.

Ледники представляют собой медленно стекающие с высоких гор ледяные реки. Подвижность твердых ледяных масс основывается на том, что нижние слои тают под давлением вышележащих масс льда, и таким образом вся масса перемещается вниз по склону.


Как видите, эксперимент очень простой и я хотел его провести, но в городской квартире (без балкона) это сделать затруднительно: лед должен находиться на морозе - в противном случае он растает.

Иван Николаевич осуществил этот эксперимент в следующем варианте:

"Проделал опыт со льдом, однако результат меня разочаровал. Для опыта была взята болванка льда из 2 л бутылки, нихромовая проволока диаметром 0.3 мм (от 2 КВт спирали), груз - гиря 16 кг.

Более тонкая нихромовая проволока диаметром 0.25 мм при испытании грузом разорвалась. Опыт продолжался 4 часа при температуре -6°С. В результате проволока углубилась незначительно (менее диаметра проволоки) . Осталась лишь тонкая бороздка.

Видимо, нужна, либо сверхпрочная тончайшая проволока или другие условия, не указанные при описании. Хотя казалось бы, чем меньше мороз, тем меньшее давление нужно для плавления льда. Не исключаю возможности, что описание опыта - миф, подобно "холодному пламени". "


Разрезание льда (лед под давлением)
Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)




Опыт получил продолжение:

"Подвесил новую проволоку диаметром 0.25 мм, хотел провести опыт возможно длительное время (пока не помешает оттепель).

Массу груза точно не знаю, взвешу потом, круги от 2 гантель. Через 13 часов проволока полностью не врезалась в лед, где-то наполовину. Сейчас -5°С."

Как видите, результат отрицательный: в правдоподобности описания эксперимента, которое приведено в книге Низе, стали появляться серьезные сомнения.


Разрезание льда (лед под давлением)
Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)




Однако случилось неожиданное:

"Опыт достиг уже 20-го часа и я отчаивался увидеть результат. Между тем началась оттепель. Сейчас температура достигла +1.5 °С. И проволока начала проходить сквозь лед!!! Оказалось главное условие слегка подтаивающий лед. Шов еле заметен визуально, по небольшой мутности, но лед опять смерзается."


Разрезание льда (лед под давлением)
Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)
На приведенных ниже фотографиях проволока находится внутри льда примерно на 8 мм. Шов можно увидеть по небольшой мутности и пузырькам воздуха. Фото сделаны немного сбоку и с подсветкой, чтобы лучше было видно шов, глазом видно намного лучше.




И, наконец, результат заключительного эксперимента:

"Опыт совершенно подтвердился!!! Использовался груз 12 кг, проволока 0.25 мм. Повторить этот простой, но довольно любопытный опыт может каждый. И делать его нужно именно при комнатной температуре, вот в чем и заключается "секрет". Вот некрасивый, но простой вариант.

Используйте проволоку от нихромовой спирали 0.5-0.6 КВт и груз 10-12 кг. Скорость разрезания льда при комнатной температуре (+24°С) составляет около 2 мм/мин. Ее хорошо видно, если подставить линейку под груз, служащий уровнем. Болванка от 2-л бутылки разрезалась за 26 мин, однако глубина была уже около сантиметра, когда я начал опыт. В конце тонкий кусочек льда выщербнуло, но лед удивительным образом смерзается, когда проволока проходит через него. После опыта кусок льда такой же прочности, видно лишь туманный шов."


Разрезание льда (лед под давлением)
Разрезание льда (лед под давлением)



Продолжение экспериментов
Провести эксперимент по "разрезанию льда" я планировал давно, в морозилке уже полгода лежала двухлитровая ПЭТФ бутылка с водой (которая уже давно замерзла). Поскольку для опыта мороз не требовался (скорее наоборот), эксперимент можно было провести просто в лаборатории. Наконец, "дошли руки".

Бутылку вынул, пластик срезал и извлек кусок льда. Бутылка была практически полной, но в ней осталось немного воздуха. При разрезании оболочки бутылки обнаружил, что внутри было повышенное давление - воздух со свистом устремился наружу (это не удивительно, т.к. при замерзании воды ее объем увеличивается).

Кусок льда закрепил между двумя стульями. Тонкой стальной проволоки под рукой не оказалось, поэтому взял капроновую нитку. Умудрился прикрепить к нитке две гантели весом 4 кг и стальной цилиндр весом около 5 кг (итого около 13 кг) и подвесил их на ледяную болванку.

Минут через двадцать я увидел, что нитка углубилась в лед, причем лед над ней "сомкнулся", однако, когда прикинул скорость продвижения, понял, что до конца рабочего дня не успею - опыт пришлось прекратить, а нитку вырвать изо льда. Кусок льда поместил обратно в морозилку.

На следующий день я, как ни старался подвесить вчерашний груз на капроновой нитке, - так и не смог: нитка постоянно рвалась. После ряда неудачных попыток я взял стальную проволоку диаметром около 1 мм и подвесил груз. Температура в лаборатории была около 20°С.

Вскоре стало видно, что проволока погружается в лед, а лед над ней снова смерзается. Путь, который прорезала проволока сквозь лед, был заметен, но только если внимательно присмотреться: в противном случае все выглядело так, словно проволока была в воде до ее замерзания.

Проволока погружалась в лед все глубже, одновременно ее края сближались, но происходило это медленно. Во время опыта кусок льда таял и потерял около трети массы (на глаз). Примерно через два часа проволока с грузом прошла сквозь лед и упала (вырвав при этом немного льда из нижней части куска). Место, где проволока прошла через лед, было видно, но не очень отчетливо. Мои попытки разделить кусок льда на две половинки руками не имели успеха. Тогда попробовал бить кусок льда о дерево (местом, где была проволока) - тоже безуспешно: лед начал крошиться, но так и не разделился на две половинки.

Разрезание льда (лед под давлением)
Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)
Проволока уже подо льдом

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)



Разрезание льда (лед под давлением)
Прошло около двух часов. Ниже показаны последние минуты эксперимента

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)
После того, как через лед прошла стальная проволока, его не удалось разделить на две части ни руками, ни даже ударами о дерево

Разрезание льда (лед под давлением)

Разрезание льда (лед под давлением)




Значительную часть поверхности нашей планеты занимают ледники. Эти массивные ледяные образования встречаются не только в горах, но и покрывают большую часть поверхности острова Гренландия и континента Антарктида. В Антарктиде наибольшая толщина ледяного панциря достигает 4.8 км.

Некоторые ледники напоминают застывшие реки. Но эти "реки" совсем не застывшие - они текут со скоростью порядка нескольких десятков метров в год, но в некоторых случаях скорость движения льда достигает десятков метров в день.


Ледник Нимрод (Nimrod)
Фотографии ледника Нимрод (Nimrod) из космоса и с высоты птичьего полета.
Эта "река" имеет дину около 135 км и течет со скоростью около двух метров в день.

Ледник Нимрод (Nimrod)




Комментарии
К1 В области низких давлений (десятки и сотни бар) температура плавления льда с ростом давления уменьшается (dp/dt наклонена влево на диаграмме) и только в области высоких давлений (выше нескольких тысяч бар) температура плавления возрастает в ростом давления - см. фазовую диаграмму воды.

Фазовая диаграмма состояния воды
Фазовая диаграмма воды


<Опыты со льдом и сухим льдом>

< Опыты со щелочными металлами > < Опыты со щелочными металлами 1 > <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 1> <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 2> <Эксперименты с фосфором ч.1> <Эксперименты с фосфором ч.2> <Эксперименты с водородом 1> <Эксперименты с водородом 2> <Эксперименты с водородом 3> <Хлористый азот (трихлорид азота). Иодистый азот (нитрид иода)> <Перекись ацетона, ГМТД, органические перекиси> <Черный порох> <Кумулятивный эффект (№5 2011)> <Нитроглицерин, Этиленгликольдинитрат, Нитроэфиры, Нитропроизводные> <Огонь от капли воды (№1 2012)> <Огонь на ладони (Холодный огонь)> <Химические вулканы> <Ртуть, Амальгамы, Соединения Ртути>
<Разрезание льда (Обсудить на форуме)> [Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]