Разрушительная сила замерзающей воды: физика расширения и его последствия

Процесс кристаллизации воды сопровождается уникальным физическим явлением: при переходе в твердое состояние ее объем увеличивается приблизительно на 10% от первоначального. Это аномальное расширение, обусловленное особенностями молекулярного строения H₂O, генерирует колоссальное давление, способное разрушить даже высокопрочные материалы. В замкнутом пространстве возникающее напряжение достигает таких величин, что целостность металлических емкостей, включая стальные сосуды, неизбежно нарушается. Данный феномен лежит в основе множества природных и техногенных процессов, демонстрируя мощь фундаментальных законов физики.

Экспериментальная демонстрация давления кристаллизующейся воды. Наглядное подтверждение этой силы демонстрируется с помощью специального прибора — цилиндра с полостью А и шестиугольной головкой В (рис. 40). Емкость доверху заполняется дистиллированной водой, после чего открытый конец герметично изолируется тонкой пластинкой С из листовой меди. Для обеспечения абсолютной герметизации поверх меди укладывается металлическое кольцо, а затем навинчивается гайка Е, которая через это кольцо передает равномерное давление, плотно прижимая пластинку к торцу цилиндра. Конструкция гайки выполнена таким образом, что через ее отверстие и кольцо остается видимым центральный участок медной мембраны.

Подготовленный прибор помещается в охлаждающую смесь (например, комбинация льда и соли), которая обеспечивает быстрое и равномерное понижение температуры. При этом открытый торец цилиндра с гайкой должен оставаться над поверхностью смеси для визуального наблюдения. По мере охлаждения температура воды внутри полости А падает ниже точки кристаллизации, однако фазовый переход не начинается из-за отсутствия свободного пространства, необходимого для расширения.

Вода переходит в состояние переохлажденной жидкости — метастабильную фазу, которая стремится к кристаллизации. Молекулы воды, выстраиваясь в структуру льда, начинают оказывать колоссальное давление на стенки "тюрьмы". Поскольку медная пластинка С является наиболее слабым элементом системы, именно на нее приходится пиковая нагрузка. В момент, когда напряжение превышает предел прочности металла, раздается характерный громкий треск, сигнализирующий о разрушении мембраны и высвобождении энергии.

После разгерметизации полости давление мгновенно падает, и вода получает возможность немедленно завершить фазовый переход. Образующийся лед не только полностью заполняет внутренний объем А, но и выходит наружу сквозь образовавшееся отверстие, формируя характерный ледяной столбик, который выступает даже за пределы гайки Е. Эта визуальная картина наглядно демонстрирует разницу в удельном объеме воды и льда.

Геологическая роль морозного выветривания. В масштабах геологических процессов разрушительная сила замерзающей воды выступает одним из ключевых факторов морозного выветривания (криогенного разрушения). Атмосферные осадки — дождевая и талая снеговая вода — проникают в микроскопические трещины и поры горных пород. В периоды резких понижений температуры, особенно в условиях высокогорья или полярных широт, эта вода кристаллизуется.

Расширение при замерзании создает в замкнутых полостях горных пород локальные напряжения, многократно превышающие прочность минеральных связей. Это приводит к расклиниванию трещин, их углублению и расширению. Многократное повторение циклов замерзания-оттаивания действует как гигантский гидравлический клин, дробищий массивы скал. В результате монолитные утесы покрываются сетью трещин, что со временем приводит к откалыванию глыб, образованию осыпей и формированию характерного скалистого рельефа.

Техногенные аспекты и разрушение коммуникаций. Аналогичное действие силы кристаллизации, но в меньшем масштабе, наблюдается и в городской инфраструктуре. Водопроводные трубы, проложенные выше глубины промерзания грунта, подвергаются серьезному риску в период сильных морозов. Если вода в системе находится в статическом состоянии (при закрытых кранах) и полностью заполняет сечение трубы, то при охлаждении ниже 0°C она оказывается в замкнутом объеме.

Прочные современные трубы способны некоторое время сдерживать начальное давление расширения, препятствуя фазовому переходу. Однако по мере дальнейшего падения температуры давление на стенки растет экспоненциально. Когда предел упругой деформации материала оказывается исчерпан, происходит разрушение — труба лопается. Характерной особенностью таких аварий является временная отсрочка: вода начинает просачиваться через образовавшиеся трещины только после оттаивания, когда лед превращается обратно в жидкость. Таким образом, видимые признаки аварии (протечки) часто проявляются лишь с наступлением потепления, хотя само разрушение произошло значительно раньше, в пик холодов.

Рис. 40. Экспериментальная установка для демонстрации давления замерзающей воды: стальной цилиндр с полостью А, шестиугольной головкой В, медной пластинкой С, прижимным кольцом и запорной гайкой Е.

Молекулярная физика аномалий воды. В основе описанных явлений лежит уникальная полиморфная структура водяного льда. В отличие от подавляющего большинства веществ, которые при охлаждении увеличивают свою плотность, вода демонстрирует обратную зависимость. Максимальную плотность (*1 г/см³*) вода имеет при температуре *+4°C*. При дальнейшем охлаждении и образовании кристаллической решетки льда Ih (гексагональной сингонии) молекулы фиксируются на расстоянии, большем, чем в жидкой фазе, что и приводит к снижению плотности до *0.917 г/см³*.

Это увеличение объема на этапе кристаллизации создает давление, которое, по разным оценкам, может достигать *200-250 МПа (мегапаскалей)*, что соответствует *2000-2500 атмосфер*. Такого давления достаточно не только для разрыва стальных труб, но и для деформации горных пород. Понимание этих процессов критически важно не только в физике и геологии, но и в строительстве, где расчеты фундаментов и коммуникаций обязательно включают учет глубины промерзания грунта и сил морозного пучения.

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.