Главная » Вопросы » Школа » Физика

Как образуются сосульки на крышах, и с чем это связано?
Как образуются сосульки на крышах, и с чем это связано?
Категория: Физика | Добавил: V_V (13.03.2018)
Просмотров: 198 | Ответы: 2 | Рейтинг: 5.0/1
Ответов: 2
0 buzz
13.03.2018 оставил(а) комментарий:
Сосульки, свисающие с карнизов и проводов, могут показаться достаточно простыми "конструкциями", однако на самом деле их форма и процесс образования в течение долгого ремени озадачивали исследователей. Почему сосулька имеет вид усеченного конуса с диаметром у вершины не более нескольких миллиметров? Почему по оси сосульки проходит узкая заполненная жидкой водой полость длиной несколько сантиметров, берущая начало у кончика сосульки (в этом вы можете убедиться с помощью зубочистки)? Что эта за белая линия, отмечающая центральную ось сосульки? Почему на поверхности сосульки образуются поперечные ребра с интервалом несколько сантиметров? Почему местами в сосульке лед сплошной, а местами - пористый? Какая причина заставляет некоторые сосульки изгибаться и скручиваться?

Физические процессы, идущие при замерзании воды, весьма сложны. В рамках простой модели граница замерзания, разделяющая жидкость и лед, состоит из разветвленных "пальцев", которые проникают в жидкость. На поверхности этих пальцев молекулы жидкости постепенно присоединяются к кристаллической решетке льда, отдавая часть своей энергии и теряя подвижность. Потерянная ими энергия, называемая теплотой, переносится в другую область, более холодную, чем поверхность замерзания, - часто в прилегающий слой воздуха.

Этот процесс и ведет к росту сосульки. Один из путей их образования был изучен Н. Маено и Т. Такохаси из Университета Хоккайдо. Вообразите медленно тающий слой снега на крыше. Каждая свисающая с края капля талой воды окружена холодным воздухом. Когда по краям капля начинает замерзать и образуется тонкая оболочка льда, теплота, выделяющаяся в результате замерзания воды, уходит в окружающий воздух.

По мере того как вода продолжает стекать вниз по ледяной оболочке, часть ее замерзает, и народившаяся сосулька начинает расширяться. Остальная вода присоединяется к свисающей капле. Постепенное замерзание воды по краям капли приводит к расширению сосульки. Если капля становится слишком большой - более 5 мм в диаметре - она падает, однако вскоре талая вода образует новую каплю. Пока существует приток талой воды, сосулька расширяется и удлиняется. Кончик же сосульки, диаметр которого определяется размером свисающей капли, остается узким.

Г. Хатекеяма из Токийской метеорологической обсерватории и С. Немота из Метеорологического института в Токио описали другой путь образования сосульки. Верхняя часть начальной капли может замерзнуть целиком, при этом возникает горизонтальная поверхность замерзания, которая движется вниз. Если воды поступает мало, а крыша холодная, вода может замерзать во всем объеме капли, а не только в тонкой ледяной оболочке. В результате вся конструкция в процессе того, как на кончике образуется и замерзает новая капля воды, поэтапно удлиняется. Если же воды поступает достаточно и капля подпитывается непрерывно, то на некоторых стадиях роста сосульки вода по краям капли будет замерзать и образовывать ледяную оболочку в соответствии со схемой Маено и Такохаси.
0 buzz
13.03.2018 оставил(а) комментарий:
Если ледяная оболочка уже образовалась, жидкость внутри ее начинает замерзать медленнее. Согласно результатам Л.Макконена из Технического исследовательского центра в Зело (Финляндия), теплота, выделяющаяся в процессе замерзания внутренней области, передается через лед к верхней части сосульки (называемой "корнем"), а затем - к краю крыши. Теплопередача - процесс настолько постепенный, что внутренняя поверхность замерзания может двигаться вниз по центральной оси сосульки очень медленно; если поверхность замерзания достаточно удалена от корня, как это имеет место в сформировавшейся сосульке, она может даже остановиться.

В области между поверхностью замерзания и кончиком сосульки жидкость заключена в узкую ледяную полость. Несмотря на действие силы тяжести, жидкость находится в устойчивом состоянии, что частично объясняется поверхностным натяжением между жидкостью и стенками полости. Кроме того, полость эта настолько узка, что случайные возмущения на нижней границе столбика воды или в висящей капле бывают обычно недостаточными для того, чтобы позволить воздуху просочиться в полость и вытеснить жидкость. При нормальных зимних температурах внутренняя поверхность замерзания достигает кончика сосульки (и та полностью замерзает) только в том случае, если вода перестает поступать и рост сосульки прекращается.

Снаружи сосулька покрыта тонким слоем воды и как бы заключена в жидкие ножны. Замерзание на внешней поверхности раздела леджидкость происходит очень быстро, поскольку теплота, выделяющаяся при замерзании воды, быстро проходит через жидкую воду и передается воздуху. (Маено и Такохаси обнаружили, что жидкие ножны на активно растущих сосульках бывают не толпе 0,1 мм). Температура на поверхности замерзания равна точке замерзания воды; последняя составляет 0°С для чистой воды, но может быть ниже, если вода содержит примеси. Температура в остальном объеме жидкости несколько ниже точки замерзания (явление, известное как переохлаждение). Наиболее охлаждена вода, соприкасающаяся с воздухом, который, разумеется, может быть гораздо холоднее, чем вода.

Ч. Найт из Национального центра атмосферных исследований в Боулдере, шт. Колорадо, указывает, что сосульки могут расти и тогда, когда температура воздуха выше точки замерзания, при условии, что воздух содержит мало водяного пара. Если концентрация водяного пара невелика, с внешней поверхности жидких ножен сосульки вода испаряется. Когда молекулы воды покидают жидкость, они уносят с собой энергию, что приводит к переохлаждению поверхностного слоя жидкости. Охлажденная вода играет роль тепловой "свалки", принимающей теплоту, которая выделяется при замерзании воды y поверхности льда.
avatar