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!

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.