Регеляция льда: физический эксперимент с плавлением под давлением и его природные аналоги

Описание рисунка 35: На рисунке 35 изображен ледяной стержень (АВ), закрепленный в штативе, с перекинутой через него проволокой и подвешенным грузом.

Данный наглядный физический эксперимент, демонстрирующий эффект регеляции, основывается на рассмотренном ранее принципе плавления льда под давлением. Для его проведения требуется минимальное количество оборудования. Ключевым элементом является ледяной стержень удобной формы для фиксации в штативе. Такой кристаллический стержень можно изготовить самостоятельно, используя стеклянную трубку, воду и охлаждающую смесь из снега и поваренной соли (NaCl).

Изготовление ледяного образца начинается с заполнения трубки водой и ее герметизации. Трубка помещается в охлаждающую смесь примерно на тридцать минут, пока фаза перехода воды в лед не завершится. После извлечения и легкого подтаивания поверхности для отставания от стенок, полученный цилиндр горизонтально закрепляется, например, в отверстии деревянной стойки. На середину стержня накидывается тонкая проволока, к которой подвешивается груз массой порядка пяти килограммов.

Рассчитанное удельное давление проволоки на лед в этой конфигурации достигает значительной величины, достаточной для локального понижения температуры плавления. Под действием этого давления лед под проволокой плавится, и проволока постепенно прорезает всю толщу образца. Однако после прохождения груза лед остается цельным, а его части снова срастаются. Этот парадоксальный результат и является демонстрацией фундаментального физического явления.

Объяснение феномена заключается в специфических свойствах полиморфизма воды. Вода, образовавшаяся под проволокой из-за высокого криостатического давления, вытесняется в область за ней, где давление нормальное. В этой щели происходит обратный процесс — вторичная кристаллизация (регеляция), снова соединяющая лед в монолит. Аналогичный процесс лежит в основе лепки снежков, где давление рук вызывает временное подтаивание и последующее смерзание снежинок.

Эффект регеляции сильно зависит от температуры. Давление, необходимое для плавления, экспоненциально возрастает даже при небольшом охлаждении льда ниже 0 °C (273,15 K). Поэтому слепить снежок возможно лишь из снега, температура которого близка к точке фазового перехода, что хорошо известно на бытовом уровне. Это связано с отрицательным наклоном кривой плавления на фазовой диаграмме воды.

Явление регеляции играет ключевую роль в гляциологии, объясняя формирование и движение ледников (глетчеров). В толще снежно-фирновой массы давление вышележащих слоев вызывает подтаивание ледяных кристаллов. При изменении напряжений, например, при смещении, эта вода рекристаллизуется, формируя плотный глетчерный лед. Именно регеляция придает ледникам пластичность, позволяющую им «течь» под собственной тяжестью, заполняя долины.

Описание рисунка 36: На рисунке 36 схематично представлено движение ледника (глетчера) в горной долине, иллюстрирующее его пластичное течение и процессы регеляции в местах сжатия.

Динамика ледникового языка напрямую связана с этим процессом. В сужениях долины возникает повышенное боковое давление, приводящее к локальному плавлению льда. После прохождения узкости давление падает, и происходит регеляция, адаптирующая форму ледяного потока к руслу. Таким образом, ледник медленно, но непрерывно движется, подобно вязкой жидкости, что является макропроявлением описанного лабораторного эксперимента.

Изучение реологических свойств льда под давлением имеет не только теоретическое, но и практическое значение в климатологии и гляциологии. Понимание механизмов деформации ледников позволяет точнее моделировать их реакцию на изменение климата и прогнозировать связанные с этим процессы. Простой опыт с проволокой и льдом служит прекрасной иллюстрацией сложных природных явлений, связывая фундаментальную физику с науками о Земле.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.