Скорость, масса, энергия. Физические основы хоккея

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!

В следующей главе мы продолжим наше исследование льда – но уже с точки зрения его механических свойств. Поговорим о твердости и упругости, о том, почему лед скользкий и как на нем возникают трещины и сколы. Обещаю, будет интересно! А пока – не забывай, что даже в самом твердом и холодном льду есть скрытое тепло и энергия. Нужно лишь уметь их разглядеть – и, возможно, однажды использовать в своей игре!

Глава 7: Свойства льда – твердость, скользкость, хрупкость

Приветствую тебя, мой дорогой читатель! Вот мы и добрались до самой сути нашей ледовой истории – до свойств льда. Казалось бы, что тут особенного? Лед – он и есть лед, твердый, холодный, скользкий. Но поверь мне, как физику, за этой кажущейся простотой скрывается целый мир удивительных явлений и закономерностей. И сегодня мы с тобой в этот мир окунемся!

Начнем, пожалуй, с самого очевидного – с твердости льда. Все мы знаем, что лед – это твердое тело, на котором можно стоять, ходить и даже прыгать (если ты, конечно, не слон и не бегемот). Но что именно делает лед твердым? Ответ – в особом расположении молекул воды в кристаллической решетке льда.

Когда вода замерзает, ее молекулы выстраиваются в строгом порядке, образуя шестиугольные ячейки. Каждая молекула воды окружена четырьмя соседками и связана с ними водородными связями – особым типом межмолекулярного взаимодействия. Эти связи и держат кристалл льда «в кулаке», не давая молекулам разбежаться в разные стороны.

Интересный факт: при замерзании вода расширяется примерно на 9%! Именно поэтому лед легче воды и плавает на ее поверхности. И именно поэтому замерзшая в бутылке вода может разорвать стекло – силы расширения льда очень велики.

Но вернемся на хоккейную площадку. Как ты думаешь, одинаково ли твердым должен быть лед для игры? Оказывается, нет! Идеальный хоккейный лед – это не монолитный камень, а скорее «слоеный пирог» из слоев разной твердости.

Нижний слой льда, который контактирует с охлаждающей системой, должен быть максимально твердым и прочным. Он служит фундаментом, на котором держится вся ледовая «конструкция». А вот верхний слой, по которому непосредственно катаются хоккеисты – должен быть чуть мягче. Это нужно для того, чтобы коньки могли оставлять на нем микроскопические царапины – те самые, которые и обеспечивают сцепление с поверхностью.

Если лед будет слишком твердым – коньки будут скользить по нему, как по стеклу, без всякого контроля. А если слишком мягким – будут застревать, как в песке. Поэтому за твердостью льда постоянно следят с помощью специальных приборов – твердомеров. И если нужно – корректируют ее, меняя температуру охлаждения или добавляя в воду специальные примеси.