Ученые из Института Жана Лерона ДАламбера публиковали исследование, в котором рассмотрели три сценария возникновения трещин при замерзании капель при падении на холодную металлическую поверхность.
© Elisabeth Ghabache et al. | arXiv.org
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.