Физики нашли три сценария замерзания капель воды

Физики из Института Жана Лерона Д'Аламбера (Париж, Сорбонна) описали три различных сценария образования трещин при замерзании капель, упавших на поверхность холодного металла. Для каждого из них ученые предложили математическую модель и предсказали, при каких температурах будет происходить переход от одного сценария к другому. Авторы отмечают, что подобные исследования помогают лучше понять, каким образом растрескиваются при остывании лаки, эмали и другие материалы. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает Physics.

Ученые следили с помощью высокоскоростной камеры за тем, как замерзают капли после падения на холодный металл. Температура последнего варьировалась от 0 до -60 градусов Цельсия, температура капли была постоянной — 0 градусов. Из-за смачивания нижняя поверхность капли примерзала к металлу и оставалась неподвижна после падения. Температурное сжатие приводило к возникновению в ней механических напряжений, которые и оказывались причиной растрескивания капли.

Физики выделили три сценария замерзания: без трещин, с трещинами, расходящимися из одной точки, и с иерархическим образованием трещин. Первый реализовывался при небольшой разнице температур между каплей и металлом — возникающих напряжений было недостаточно для возникновения трещин. Второй сценарий соответствовал температурам ниже -27 градусов Цельсия — напряжение накапливалось постепенно и резко рассеивалось при появлении первого центра трещинообразования. Третий сценарий наблюдался при разнице температур около 42 градусов — трещины при этом возникали одна за другой и образовывали отдельные неповрежденные «острова».

Наблюдаемые переходы между сценариями замерзания физики объяснили с помощью теоретических моделей. В основе вычислений лежала теория Гриффита. Она устанавливает взаимосвязь между энергией, запасенной в механическом напряжении, и размерами трещин.

Ученые отмечают, что замерзание во втором сценарии очень похоже на поведение батавских слезок, также известных как капли принца Руперта. Это стеклянные капли, образующиеся при резком охлаждении расплавленного стекла (например, если капнуть последнее в воду). Головная часть капли обладает огромной механической прочностью и выдерживает удар молотка. В то же время, если отломить даже небольшой фрагмент от хвостовой части, капля рассыпается на мелкие осколки. Скорость распространения фронта трещин в случае капли Руперта и второго сценария парижских физиков достигает километра в секунду.

Ранее мы сообщали об исследовании другой группы французских ученых, посвященном взрыву воздушных шариков. Физикам также удалось выделить два сценария роста трещин — с образованием одного лоскута и с разрывом шарика на множество мелких частей. Ключевым параметром оказалось натяжение в шарике.

Владимир Королёв