Šąlančių lašų sprogimai: vyksta tokie keisti procesai, jog įdomu net fizikams (Video)

Twente universiteto fizikai aprašė procesus, sukeliančius greitai užšąlančių vandens lašelių sprogimą. Pagrindinis – šąlančio vandens plėtimasis. Paaiškėjo, greitis, kuriuo išsilaksto ledo fragmentai, nuo lašo dydžio praktiškai nepriklauso. Pasak mokslininkų, šis tyrimas padės tiksliau modeliuoti vandens lašų užšalimą debesyse ir krušos susidarymą. Tyrimas publikuotas žurnale Physical Review Letters, trumpai apie jį praneša Physics. Papildomoje mokslinio straipsnio medžiagoje autoriai pateikia laše vykstančių sparčių procesų vaizdo įrašą.

Staigiai šaldant skystį, vyksta neįprasti procesai. Pavyzdžiui, į šaltą vandenį krentantis išlydytas stiklas pavirsta „princo Ruperto lašu“: itin tvirtą kietą lašą su ilga uodega. Pats lašas atlaiko netgi smūgį plaktuku, tačiau nulaužus trapios uodegėlės galiuką, visa struktūra sprogsta, išlaisvindama vidinį įtempimą. Tokias savybes lemia netolygūs stiklo stingimo procesai.

Kitaip nei stiklas, vanduo pasižymi išskirtine savybe — užšaldamas jis plečiasi. Tai pakeičia staigaus vandens užšalimo procesą. Naujo darbo autoriai greituoju filmavimu tyrinėjo užšalimo procesus ir sukūrė jų modelį.

Eksperimentas buvo atliekamas, nedidelius vandens lašus padedant į mažo slėgio kamerą ir sparčiai juos šaldant – taip vanduo būdavo peršaldomas. Tai – metastabili būsena, kai lašas lieka skystas, nors jo temperatūra žemesnė už ledėjimo. Peršaldytas skystis gali staigiai užšalti nuo bet kokio išorinio poveikio. Kad lašeliai liktų apskriti, mokslininkai naudojo superhidrofobinę dangą. Atšaldytus lašelius tyrėjai švelniai paliesdavo sidabro jodido adatėle. Taip būdavo inicijuojamas ledėjimas.

Iš pradžių ledas padengdavo išorinį lašelio paviršių ir pradėdavo sparčiai skverbtis gilyn. Po to didėjantis vidinis slėgis išspausdavo vandenį į paviršių, kur jis kaip mat suledėdavo. Toliau šalančiame lede radosi įtrūkimai, kuriuos greitai užpildydavo vanduo. Dėl tolesnio ledėjimo viduje augo slėgis ir galiausiai, praėjus porai sekundžių, lašas sprogdavo.

Mokslininkai pademonstravo, kad šio sprogimo charakteristikos labiausiai priklausė nuo lašelio medžiagos — ledo atsparumo tempimui ir vandens tamprumo. Milimetro dydžio lašo skeveldrų skriejimo greitis praktiškai nekito, keičiantis lašo dydžiui. Pačiuose mažiausiuose lašuose pasidarydavo svarbus paviršiaus įtempimas — jei lašų skersmuo neviršijo 100 mikrometrų, jie nesprogdavo visai.

V. Koroliov