Физики описали три сценария растрескивания капли воды при замерзании

Ученые из Института Жана Лерона ДАламбера публиковали исследование, в котором рассмотрели три сценария возникновения трещин при замерзании капель при падении на холодную металлическую поверхность.

Под каждый сценарий физики предложили математическую модель и предельную температуру, при которой один сценарий будет переходить в другой. Благодаря этому исследованию удастся разобраться в том, как при остывании трескаются лаки, эмали и другие материалы.
Экспериментаторы установили высокоскоростную камеру и стали следить за тем, как замерзают капли (их температура была всегда на уровне 0 градусов Цельсия) после их падения на холодную металлическую поверхность — от 0 до −60 градусов Цельсия. В момент, когда капля соприкасалась с металлом, она его смачивала и примерзала, оставаясь неподвижной. Однако капля переживала температурное сжатие, которое и приводило ее к образованию в ней механических напряжений, заставляя ее трескаться.

Таким образом ученые описали три сценария замерзания: без трещин, с трещинами, идущими из одной точки, и с иерархическим образованием трещин. Трещин удавалось избежать, если разница температуры между каплей и металлом была незначительной. Второй сценарий проходил, если поверхность металла была охлаждена до −27 градусов: напряжение постепенно накапливалось и внезапно рассеивалось при появлении первого центра трещинообразования. Третья схема срабатывала при перепаде температур — 42 градусов. Капля растрескивалась вся, оставляя отдельные целые островки.
Далее физики переложили свои наблюдения на математический язык, используя теорию Гриффита, которая позволила установить взаимосвязь между энергией, запасенной в механическом напряжении, и размерами трещин.

Исследователи сравнивают второй сценарий растрескивания капли с поведением батавских слезок, которые также называют каплями принца Руперта. Эти стеклянные капли образуются при резком охлаждении расплавленного материала. При этом верхняя часть капли становится невероятно прочной и может выдержать удар молотка. В том время, как если отломить частичку от ее хвоста, она моментально рассыпается на осколки.

Источник