Високоскоростно видео и моделни изследвания на физици от Университета на Твенте разкриват условията, при които водните капки експлодират при много бързо замръзване. В основата е стремежът на водата да се разшири, когато замръзне.
Според учените, проучването ще помогне за по-точно моделиране на замръзването на капчиците вода в облаците и образуването на градушка, съобщава изданието Physics.
Изследването е публикувано в списание Physical Review Letters.
Сандър Уайлдман (Sander Wildeman) и екипът му са заснели този процес в безпрецедентно детайлно видео от образуването на ледения кристал до крайния взрив. Това кадри, заедно с модела на базата на изчисления по теория на групите, разкрива кога и защо водата експлоадира, когато замръзва отвън вътре.
При рязко охлаждане на течностите се наблюдават някои необичайни процеси. Например, капка от разтопено стъкло, попадаща в студената вода се превръща в "капка на Принц Рупърт"- изключително здрава твърда капка с дълга опашка. Самата капка може да издържи на удар на чук, но ако се счупи края на крехката опашка, цялата структура ще експлодира, освобождавайки вътрешното си напрежение. Това поведение се дължи на неравновесните процеси, които се случват по време на бързото втвърдяване на стъклото.
За разлика от стъклото, водата има важна особеност - тя се разширява, когато замръзва. Това явление променя това, което се случва с рязко замръзващата вода. Авторите на новото изследване заснемат с висока скорост проучваните процеси, които се протичат по време на замразяване и построяват модела й.
В експеримента се поставя малка капка вода в камера с ниско налягане и се охлажда бързо до постигане на преохлаждане. Това е метастабилно състояние, при което капчицата остава течна, въпреки че температурата й е вече под точката на замръзване. Преохладената вода може да замръзне бързо от някакво външно влияние. За да останат сферични капчиците, изследователите са използвали свръххидрофобно покритие. След охлаждането капчиците леко се докосват с игла сребърен йодид. Това предизвиква образуването на лед.
Първо ледът покрива външната повърхност на капчиците и бързо започва да расте навътре. След това под въздействието на увеличеното налягане се изхвърля течната вода на повърхността, която веднага замръзва. При по-нататъшното замразяване в леда възникват пукнатини, настъпили вследствие на неговото разширяване, които бързо се запълват с вода. По-нататъшното замръзване довежда до увеличаване на вътрешното налягане и в крайна сметка - до експлозия две секунди след началото на процеса.
Учените показаха, че характеристиките на взрива зависят предимно от материала на капката - напрежението, което издържа ледът и обемният модул на еластичност на водата.
Скоростта на разпръскване на парчетата зависи от размерите на капките. Капки с по-голям диаметър от 50 μм (микрометра, а 1 µm = 10–6 m) винаги ще експлодира, когато замръзва поради високото си вътрешно налягане. По-малките капки обаче никога не се пукат, защото повърхностното напрежение на обвивката е достатъчно високо, за да ги запази непокътнати.
Тази зависимост от размера може да е полезна при моделни изследване на образуването на градушките и други валежи.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари