Физики объяснили взрыв замерзающих капель

Физики из Университета Твенте описали процессы, приводящие к взрыву быстро замерзающих капель воды. В их основе лежит стремление воды расширяться при замерзании. Оказалось, что скорость, с которой разлетаются ледяные фрагменты, практически не зависит от размеров капли. По словам ученых, исследование поможет более точно смоделировать замерзание капель воды в облаках и образование града. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics. В дополнительных материалах научной статьи авторы приводят видеозапись быстрых процессов, происходящих в капле.

При резком охлаждении жидкостей наблюдается ряд необычных процессов. К примеру, капля расплавленного стекла, падающая в холодную воду превращается в «каплю принца Руперта»: чрезвычайно прочную твердую каплю с длинным хвостом. Сама капля способна выдержать удар молотка, но если обломить конец хрупкого хвоста, то вся структура взорвется, высвобождая внутреннее напряжение. Такое поведение связано с неравновесными процессами, происходящими при быстром застывании стекла. 

В отличие от стекла, вода обладает важной особенностью — она расширяется при замерзании. Это явление изменяет то, как происходит резкое замерзание капли воды. Авторы новой работы с помощью скоростной съемки исследовали процессы, происходящие при замерзании и построили их модель. 

В эксперименте небольшие капли воды помещали в камеру с низким давлением и быстро охлаждали, добиваясь переохлаждения. Это метастабильное состояние, в котором капля остается жидкой, несмотря на то, что ее температура уже ниже точки замерзания. Переохлажденная вода способна быстро замерзать от любого внешнего воздействия. Для того, чтобы капли оставались шарообразными, ученые использовали супергидрофобное покрытие. После охлаждения капли легко касались с помощью иглы из иодида серебра. Это инициировало образование льда.

Поначалу лед охватывал внешнюю поверхность капли и быстро начинал расти внутрь. Затем, под действием нарастающего давления происходил выброс жидкой воды на поверхность, которая тут же застывала. При дальнейшем замерзании во льду возникали трещины из-за его расширения, которые быстро заполнялись водой. Дальнейшее замерзание приводило к росту внутреннего давления и, в конечном итоге, ко взрыву через пару секунд, после начала процесса. 

Ученые показали, что характеристики этого взрыва зависели в основном от материала капли — напряжения, которое выдерживает лед и объемного модуля упругости воды. Для капель миллиметровых размеров скорости разлетающихся осколков практически не менялись с изменением радиуса капли. Для более мелких капель начинала играть роль сила поверхностного натяжения — если их радиус не превышал 50 микрометров, то они и вовсе не взрывались. 

Ранее физики из Института Жана Лерона Д'Аламбера (Париж) изучили как замерзают капли, смачивающие металл. Исследователи обнаружили три различных сценария их замерзания: без возникновения трещин в растекшейся капле, с трещинами, расходящимися из одной точки, и с иерархическим образованием трещин. Ключевым параметром в исследовании была разница между температурами капли и металлической подложки. Похожее исследование, посвященное динамике разрушения, провела другая группа французских ученых. Физики нашли два сценария взрывов воздушных шаров. 

Владимир Королёв