Учёные с помощью скоростной съёмки исследовали процессы, которые приводят к взрыву стремительно замерзающих водяных капель. Далее они построили компьютерную модель и сделали видеозапись молниеносных процессов, происходящих в капле. Исследование может помочь смоделировать замерзание капель воды в облаках и образование града.

Известный факт: при замерзании вода стремится расшириться. Но как это происходит с каплей воды, которая замерзает с внешней оболочки, а внутри остается жидкой? Нидерландские физики Университета Твенте благодаря высокоскоростной визуализации показали, что эта головоломка разрешается посредством кавитации внутри капли. Кавитация − это схлопывание пузырьков пара из-за понижения давления, которое сопровождается гидравлическим ударом и, как следствие, взрывом капли.

В эксперименте маленькие капли воды размещали в камере с пониженным давлением, быстро охлаждали, добиваясь эффекта переохлаждения. При этом капля пребывала в метастабильном состоянии (состояние квазиустойчивого равновесия физической системы, в котором система может находиться длительное время): капля остается жидкой несмотря на то, что её температура уже ниже точки замерзания. Для того, чтобы капля оставалась шарообразной, исследователи использовали супергидрофобное покрытие.

Переохлажденная вода моментально замерзает от любого внешнего воздействия. Поэтому в проводимых опытах после охлаждения капли к ней легко прикасались иглой из иодида серебра. Это инициировало образование льда. Сначала лед «схватывал» внешнюю поверхность капли, а потом быстро начинал расти внутрь. Под влиянием нарастающего давления происходил выброс жидкости на поверхность, которая тут же замерзала. При дальнейшем замерзании во льду возникали трещины из-за его расширения, которые быстро заполнялись водой. Дальнейшее замерзание обуславливало рост внутреннего давления и, в конечном итоге, через пару секунд после начала процесса отмечался взрыв, сообщает N+1.

Таким образом, учёные на эксперименте с помощью скоростной съёмки продемонстрировали, что заключенная внутри твёрдой оболочки жидкая фаза впоследствии замерзает, и характеристики взрыва зависят в основном от напряжения, которое выдерживает лёд, и объёмного модуля упругости воды. Также физики установили, что описанные процессы характерны для капель в диаметре не превышающих миллиметр, и, вероятней всего, взрыва не будет, если диаметр капли составляет менее 50 микрометров.