науката

(Вътре в науката) - Погледнете през прозореца си ледените лъчи, които започват да растат по краищата на покривите и броните на автомобилите, и може да си помислите, че всички леденици са с еднаква форма - дълги, прави и заострени.

Но канадски учени са открили, че фините разлики във вятъра и водата могат да създадат ледени висулки със странни форми. Използвайки вътрешна машина за правене на лед, изследователите оспориха математическа теория, твърдейки, че всички ледчета са склонни да растат към идеализираната конусоподобна форма, която имат в карикатурите.

„Идеалната леденица, математически минималната леденица, е елегантна и красива“, каза производителят на ледени висулки Стивън Морис, физик от университета в Торонто. "Но реалността се оказа много по-сложна."

Леденицата расте, защото е мокра. Докато водата се стича по повърхността на леденицата в тънък филм, някои замръзват в студения въздух, а останалата част капе от върха - което всъщност не е заострено, но под лупа, вдлъбната като обърната чаша.

В Университета на Аризона, Тусон, физикът Мартин Шорт твърди миналата година, че всички ледчета са склонни да растат към идеална форма и е предоставил физическите правила, необходими за обяснение на тази форма.

След като е израснал в югозападните щати, Шорт е виждал малко ледени буци в ежедневието си. Той е бил вдъхновен да изучава зимните явления след години на посещение на пещерите в Аризона и изучаване на сталактити, които също се създават чрез капене на вода и растат надолу.

"Открих, че можете да предскажете идеалната форма на сталактитите", каза Шорт. "Решихме да проучим формата на ледени висулки въз основа на формата на сталактитите."

Тайната на дългата и остра форма на леденицата, предполага той, е въздухът около нея. Тъй като капещата вода замръзва на повърхността на леденицата, тя отделя топлина в заобикалящата я среда. В неподвижен въздух този топъл въздух трябва да се издига, образувайки одеяло около леденицата. Върхът остава по-студен от основата, като предпазва горната част от разрастване, тъй като мокрият връх замръзва и се удължава.

Според изчисленията на Шорт този ефект би трябвало да насочва ледениците към форма, която се стеснява от широка към тясна според специфична математическа функция.

"Повечето ледени висулки трябва да имат тази форма", каза Шорт. „Те искат да имат тази специфична (конусоподобна) форма.“

Но Морис не беше убеден от седемте снимки на ледени висулки, разгледани от Шорт, за да провери тази теория.

"Искахме да обикаляме и да съберем 100 ледени висулки от покриви (за да проверим теорията)", каза той. "Но това се оказва не толкова лесно за изпълнение."

Вместо това, той и Антъни Су-Хан Чен построиха устройство за отглеждане на 93 ледени висулки при различни условия и различни източници на вода. В горната част на устройството, дюза пръска вода върху нарастваща леденица, висяща от платформа, която се върти в стил rotisserie. Въртенето, твърде бавно, за да повлияе на формата на леденицата, помогна да се изложат еднакво всички страни на нарастващата леденица на студения бриз на вентилатора.

"Това е като месо на шиш на барбекю", каза Морис. "Ние го въртим (по един оборот на всеки четири минути), за да осигурим еднакво третиране на всички страни."

Когато се хранят с чиста дестилирана вода, дългите на метър и половина ледени висулки често образуват точки, които приличат на предсказанията на Шорт.

Но ледениците бяха най-много конусовидни не когато въздухът беше неподвижен, както прогнозираше теорията, а когато въздухът се движеше. При неподвижен въздух леденицата често израстваше крака, разклонявайки се в множество върхове.

Типът вода също се отрази на формата. Ледени лепила, отглеждани от чешмяна вода, обикновено се огъват и издуват.

Обяснението на това може да изисква по-внимателно разглеждане на тези ледници, каза Казуто Уено от университета в Квебек в Чикутими.

Вместо да изучава цялостната форма на ледени висулки, Уено се фокусира върху това как тънкият филм на водата замръзва на повърхността на леденицата. Той се надява да вдъхнови по-добри начини за борба с проблемите с обледяване на електропроводи и крила на самолетите.

Повърхността на лед не винаги е гладка. Често е покрита с малки пръстеновидни вълнички. През 2003 г. Уено открива, че тези вълни винаги са на едно и също разстояние.

„Разстоянието между два върха на вълни винаги измерва около сантиметрова скала, която е почти независима от температурата на въздуха, скоростта на водния поток и въздушния поток“, каза Уено, който разработи теория, която обяснява това въз основа на повърхностното напрежение на водата.

В експериментите на Морис, публикувани онлайн на arxiv.org, изглежда, че тези вълни пълзят по страните на растящите ледени висулки, когато се добавя нов лед. Това беше предсказано от теорията на Уено, но вълните, както цялостната форма, все още не са напълно разбрани.

Изпробвайки теории, машината за производство на лед може да е повдигнала повече въпроси, отколкото е отговорила. Но това е всичко част от научния процес за Морис, който е прекарал кариера, излагайки сложността на обектите в природата - от пясъчни дюни до бурна вода.

„Някои казват, че можете да видите света в песъчинки“, каза Морис, цитирайки британския поет Уилям Блейк. „Виждам го и в ледениче.“