Текст книги "Скорость, масса, энергия. Физические основы хоккея"

Глава 5: Трение на льду – сила, помогающая и мешающая игре

Привет, мой дорогой друг-физик! Ну что, соскучился по хоккейным загадкам и парадоксам? Тогда приготовься – сегодня мы с тобой погрузимся в самую скользкую и неоднозначную тему нашей книги. Нет-нет, речь не о судействе и не о допинг-контроле (хотя и там физики хватает). Мы будем говорить о силе, которая незримо присутствует на льду в каждый момент игры – о трении!

Да-да, то самое трение, которое мы обычно воспринимаем как досадную помеху, мешающую нам двигаться. Но в хоккее все не так просто! Здесь трение – это и друг, и враг одновременно. С одной стороны, именно благодаря трению шайба не улетает с поля при каждом броске. С другой – из-за трения шайба постепенно замедляется, а игрокам приходится тратить силы на преодоление сопротивления льда. Прямо как в жизни – без трудностей было бы скучно, но и с ними иногда бывает чересчур интересно!

Но давай по порядку. Что вообще такое трение с точки зрения физики? По сути, это сила сопротивления, возникающая при движении одного тела по поверхности другого. Природа этой силы – в молекулярном взаимодействии соприкасающихся поверхностей. Даже на идеально гладком льду есть микроскопические неровности, в которые цепляются полозья коньков и шайба. На преодоление этого сцепления и уходит часть энергии движения.

Интересный факт – сила трения зависит от силы нормального давления, то есть, от того, как сильно тело прижимается к поверхности. Чем больше давление, тем больше трение. Но, как ни парадоксально, сила трения не зависит от площади соприкосновения! Вот почему конек скользит по льду так же легко, как и шайба, хотя площадь контакта у них отличается в десятки раз.

Кстати, о коньках. Ты когда-нибудь задумывался, почему лезвия коньков не плоские, а слегка вогнутые? Это не просто дань моде или эстетике. Вогнутый профиль лезвия позволяет уменьшить площадь контакта со льдом, а значит – снизить трение. При этом края лезвия остаются острыми и хорошо цепляются за лед при отталкивании. Вот такая вот хитрая геометрия!

Но погоди, это еще не все сюрпризы, которые нам преподносит трение в хоккее. Ты ведь наверняка замечал, что по ходу матча качество льда меняется. В начале игры лед гладкий и скользкий, шайба летит, как по маслу. А к третьему периоду покрытие становится рыхлым, изрезанным коньками, шайба то и дело подпрыгивает на выбоинах. И все это – последствия трения!

Дело в том, что при движении конька по льду возникает не только сила трения скольжения, но и сила трения покоя. Это та сила, которая удерживает конек на месте, когда он неподвижен. При отталкивании конек как бы «прилипает» ко льду. И в этот момент лед под коньком подплавляется и деформируется. Остаются характерные следы – «насечки», которые и портят гладкость покрытия.

Но, как говорится, нет худа без добра. Те же самые «насечки» помогают хоккеистам маневрировать и тормозить. На идеально гладком льду это было бы гораздо сложнее! Так что хоккеисты, сами того не зная, постоянно балансируют на грани между скольжением и сцеплением, между скоростью и маневренностью. И все это – благодаря трению!

Кстати, о балансе. Знаешь ли ты, что в физике есть такое понятие – коэффициент трения? Это безразмерная величина, характеризующая «цепкость» двух соприкасающихся поверхностей. Чем больше коэффициент, тем сильнее трение. Так вот, для пары «сталь-лед» коэффициент трения скольжения – около 0,005—0,02. Это очень мало! Для сравнения – у пары «резина-асфальт» (по которой ездят автомобили) коэффициент трения – около 0,7—0,8. Вот почему шайбе так легко скользить по льду, а вот внезапно затормозить – очень сложно.

Но не будем забывать, что хоккей – это не только скольжение, но и броски, удары, столкновения. А при каждом таком контакте возникает особый вид трения – трение качения. Это когда одно тело катится по поверхности другого (как, например, шайба по льду после броска). И вот тут коэффициент трения уже гораздо выше – около 0,1—0,3. Именно поэтому после броска шайба довольно быстро останавливается, если ее не подхватить клюшкой.

А теперь, когда мы разобрались с теорией, давай перейдем к практике. Вспомни легендарный гол Марио Лемье в матче против сборной СССР на Кубке Канады 1987 года. Помнишь, как он, обыграв всю советскую оборону, на немыслимой скорости влетел в ворота вместе с шайбой? Вот где трение сыграло ключевую роль! Лемье так разогнался, что даже не успел затормозить – его коньки просто потеряли сцепление со льдом. А вот шайба, благодаря трению качения, осталась во вратарской зоне – гол!

Или другой пример – знаменитый «гол-призрак» Бретта Халла в финале Кубка Стэнли 1999 года. Тот самый гол, который принес «Далласу» победу над «Баффало», но вызвал массу споров из-за положения ноги Халла в площади ворот. Так вот, с точки зрения физики, этот гол – яркая иллюстрация роли трения в игре. Если бы не сила трения между коньком Халла и льдом, он бы просто уехал за ворота вместе с шайбой. А если бы не трение качения шайбы о лед, она бы мгновенно остановилась после контакта с конькомвратаря. Но в реальности все сложилось иначе – и привело к одному из самых спорных голов в истории хоккея.

Впрочем, давай оставим споры историкам и болельщикам. А сами лучше подумаем вот о чем – как наши знания о трении могут помочь нам в реальной игре или тренировке? Ну, например, мы теперь точно знаем, что перед матчем нужно как следует наточить коньки – чтобы уменьшить трение скольжения, но сохранить хорошее сцепление при торможении и маневрировании. Или что шайбу лучше бросать с «подкруткой», закручивая ее – так она дальше пролетит за счет меньшего трения качения. Вроде бы мелочи, а в игре могут стать решающими!

Ну что, друг мой, не утомил ли я тебя своими рассуждениями о скользком и липком? Надеюсь, теперь ты будешь смотреть на лед не просто как на площадку для игры, а как на настоящий физический полигон, где в каждый момент времени разыгрываются маленькие драмы притяжения и отталкивания, скольжения и сцепления. Поверь, если однажды начнешь замечать эти нюансы – хоккей для тебя заиграет новыми красками!

Ну а мы с тобой на этом пока остановимся. Впереди у нас еще много интересного – и про аэродинамику шайбы, и про упругость клюшек, и даже про термодинамику ледовой арены. Но сегодня мы сделали большой шаг – от абстрактной теории к реальным хоккейным ситуациям. И я надеюсь, что после этой главы ты начнешь воспринимать физику не как сухую науку из учебников, а как живой и увлекательный мир, который буквально у нас под ногами – стоит лишь присмотреться!

Так что до новых встреч, мой пытливый читатель! И помни – трением можно пренебречь только в идеальных задачах, а в реальной игре оно всегда с нами. Но теперь-то мы знаем, как заставить его работать на нас, правда? Ну, или хотя бы не позволить ему слишком сильно мешать. И это уже немало!

Часть II: Термодинамика и лед

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!

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.