Физики спустя 70 лет решили необычную головоломку

Группа ученых под руководством Джонатана Борейко из политехнического университета Виргинии (США) провела необычный эксперимент - в лабораторных условиях следила за динамикой замерзания мыльных пузырей. О результатах наблюдения авторы рассказали в журнале Nature Communications: в статье подробно описана модель этого процесса, зафиксированного на высокоскоростную камеру.

Ученые, предваряя вопрос, что их побудило заняться этим исследованием, отвечают: "Мыльными пузырями интересовались тысячелетиями. В наше время было всесторонне изучено поведение пузырьков, что привело к их практическому использованию, например, в медицине или очистительных устройствах". Но о процессе замерзания пузырьков физикам известно не очень много - существует лишь краткий научный отчет Винсента Шефера, который в 1949 году, запуская мыльные пузыри на вершине горы Вашингтон, самой высокой горе в северо-восточном регионе США, описал эффект снежного шара. Но тогда физик не объяснил суть этого эффекта.

И вот спустя 70 лет найдено объяснение, что заставляет множество растущих ледяных кристаллов внутри пузыря кружиться по всей поверхности, делая его похожим на снежный шар, который хорошо встряхнули.

Авторы работы помещали мыльные пузыри в морозильную камеру с температурой минус 18 градусов. И далее происходило нечто удивительное.

Как только пузырь касается ледяной поверхности, мыльная жидкость стекает по его стенкам. Примерно через секунду появляются крошечные кристаллы льда, которые уносятся вверх поднимающимися потоками жидкости. И наконец, сотни этих кристаллов кружатся независимо друг от друга на поверхности пузыря, они продолжают расти, пока весь пузырь не замерзает полностью примерно через сорок секунд. И если больше не поднимается мыльная жидкость, эффект снежного кома заканчивается.

Но почему мыльная жидкость движется вверх в начале процесса? Это результат явления, известного как эффект Марангони, который возникает, когда в жидкостях возникает разность температур.

Так обстоит дело с мыльными пузырями, когда они замерзают на холодной поверхности. Поскольку они меняют агрегатное состояние с жидкого на твердое, в нижней части пузыря становится немного теплее и там создаются условия для замерзания.

Из-за более высокой температуры поверхностное натяжение внизу пузыря уменьшается. Жидкость течет из более теплой области с более низким поверхностным натяжением в более холодную область с более высоким поверхностным натяжением, то есть снизу вверх.

Был и другой сценарий заморозки, у которого оказался свой "тип динамики замерзания". Ученые его описывают так: "Когда пузырьки осаждаются на охлажденной ледяной подложке в условиях комнатной температуры, восходящий фронт замораживания останавливается на полпути вверх по пузырю из-за плохой проводимости".

То есть стенка пузыря вела себя совсем по-другому: сначала в ней возникали такие же потоки, как и в первом сценарии, но они быстро затухали, а поднятые вверх кристаллики льда плавились, после чего пузырь лопался.

Какое значение имеют результаты этого открытия? "Динамика замерзания мыльных пузырей многогранна и принципиально отличается от классически изученного сценария замораживания жидкости в объемных формах", - говорится в заключение отчета.

Американские физики наблюдали за процессом теплообмена, который определяет динамику замерзания мыльных пузырей.

В своей работе они пишут, что капли воды или лужи, как правило, замерзают от распространения единого фронта замерзания. Видео демонстрирует, что при замерзании мыльных пузырей множество растущих ледяных кристаллов начинают кружиться по всей поверхности пузыря, делая его похожим на снежный шар.

Ученые описывают замораживание мыльных пузырей как принципиально отличающееся от замерзания жидкостей с объемом.