Фізики з Університету Твенте описали процеси, що призводять до вибуху швидко замерзаючих крапель води. У їх основі лежить прагнення води розширюватися при замерзанні. Виявилося, що швидкість, з якою розлітаються крижані фрагменти, практично не залежить від розмірів краплі. За словами вчених, дослідження допоможе більш точно змоделювати замерзання крапель води в хмарах і утворення граду. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє У додаткових матеріалах наукової статті автори наводять відеозапис швидких процесів, що відбуваються в краплі.
На відміну від скла, вода має важливу особливість - вона розширюється при замерзанні. Це явище змінює те, як відбувається різке замерзання краплі води. Автори нової роботи за допомогою швидкісної зйомки досліджували процеси, що відбуваються при замерзанні і побудували їх модель.
В експерименті невеликі краплі води поміщали в камеру з низьким тиском і швидко охолоджували, домагаючись переохолодження. Це метастабільний стан, в якому крапля залишається рідкою, незважаючи на те, що її температура вже нижче точки замерзання. Переохолоджена вода здатна швидко замерзати від будь-якого зовнішнього впливу. Для того, щоб краплі залишалися шароподібними, вчені використовували супергідрофобне покриття. Після охолодження краплі легко торкалися за допомогою голки з іодиду срібла. Це ініціювало освіту льоду.
Спочатку лід охоплював зовнішню поверхню краплі і швидко починав рости всередину. Потім, під дією наростаючого тиску відбувався викид рідкої води на поверхню, яка тут же застигала. При подальшому замерзанні в льоду виникали тріщини через його розширення, які швидко заповнювалися водою. Подальше замерзання призводило до зростання внутрішнього тиску і, в кінцевому підсумку, до вибуху через пару секунд, після початку процесу.
Вчені показали, що характеристики цього вибуху залежали в основному від матеріалу краплі - напруги, яка витримує лід і об'ємного модуля пружності води. Для крапель міліметрових розмірів швидкості осколків практично не змінювалися зі зміною радіусу краплі. Для дрібніших крапель починала грати роль сила поверхневого натягнення - якщо їх радіус не перевищував 50 мікрометрів, то вони і зовсім не вибухали.
Раніше фізики з Інституту Жана Лерона Д'Аламбера (Париж) вивчили як замерзають краплі, що змочують метал. Дослідники виявили три різні сценарії їх замерзання: без виникнення тріщин у каплі, з тріщинами, що розходяться з однієї точки, і з ієрархічним утворенням тріщин. Ключовим параметром у дослідженні була різниця між температурами краплі та металевої підкладки. Подібне дослідження, присвячене динаміці руйнування, провела інша група французьких вчених. Фізики знайшли два сценарії вибухів повітряних куль.