Известный популяризатор науки Дерек Маллер совместно со своей ассистенткой Колетт провел наглядный физический эксперимент по разрезанию ледяного блока с помощью грузов. В ходе исследования они проверили, как термические свойства различных материалов влияют на скорость плавления льда под давлением. Этот опыт позволил наглядно продемонстрировать классическое физическое явление, с которым каждый человек сталкивается в повседневной жизни во время обычных зимних забав.
🧊 Суть эксперимента и первые трудности 0:00
Ведущий научно-популярного канала Veritasium Дерек Маллер решил проверить, какой материал быстрее пройдет сквозь лед под воздействием механического давления. Для этого организаторы эксперимента подготовили специальную установку.
Конструкция эксперимента включала следующие элементы:
- Большой ледяной блок, служивший основой для испытания.
- Два подвеса со свинцовыми грузами массой по 1,5 кг с каждой стороны.
- Медная проволока определенной толщины.
- Рыболовная леска, имеющая точно такую же толщину, как и проволока.
Дерек Маллер и его помощница по дому Колетт одновременно опустили проволоку и леску на ледяной блок, чтобы проверить их в деле. Однако примерно на середине пути экспериментаторы столкнулись с непредвиденными техническими трудностями. Медная проволока неожиданно выскочила из креплений грузов, в результате чего они упали на землю.
На момент этой аварии Дерек Маллер зафиксировал, что медь справлялась с задачей несколько лучше рыболовной лески. Чтобы продолжить соревнование материалов, ведущему пришлось оперативно соорудить новое крепление и переставить проволоку на другое, еще не тронутое место ледяного блока. Кроме того, Маллер заметил на медной проволоке тонкий слой эмалевой изоляции. Он тщательно соскреб этот лак, оставив чистый металл, чтобы ничто не препятствовало прямому термическому контакту со льдом.
🏆 Объявление победителя и законы термодинамики 1:39
Эксперимент успешно завершился в полвторого дня, когда исследователи зафиксировали безоговорочную победу одного из участников. Медная проволока полностью, как по маслу, прошла сквозь толщу льда и упала, в то время как рыболовная леска намертво застряла внутри ледяного блока.
По мнению Дерека Маллера, ключевую роль в столь разной эффективности сыграл показатель теплопроводности материалов. Медь является превосходным проводником тепла, многократно превосходя по этому параметру полимерную леску. Ведущий объясняет физику процесса следующим образом:
- Под давлением тяжелых грузов проволока слегка подплавляет лед и опускается ниже.
- Вода, оказавшаяся над проволокой, мгновенно замерзает обратно, поскольку избыточное давление в этой точке исчезает.
- Процесс обратного замерзания воды (кристаллизации) сопровождается выделением скрытой теплоты плавления.
- Высокая теплопроводность меди позволяет этой выделившейся тепловой энергии мгновенно передаваться по телу проволоки вниз — к слою льда, находящемуся прямо под ней.
- Полученное тепло ускоряет плавление нижнего слоя льда, позволяя металлу двигаться еще глубже и быстрее.
Рыболовная леска, будучи плохим проводником тепла, блокирует этот замкнутый цикл теплообмена. Выделяющееся сверху тепло не доходит до нижних слоев льда, из-за чего леска продвигается крайне медленно и в итоге оказывается замурованной в замерзшей над ней воде.
☃️ От физической лаборатории до игры в снежки 2:18
Как подчеркивает Дерек Маллер, описанный физический процесс, известный в научной среде под термином «режеляция», вовсе не является абстрактным или бесполезным теоретическим концептом. С этим удивительным явлением близко знаком абсолютно каждый человек, который хотя бы раз в жизни лепил руками обычный снежок.
При сжатии снега ладонями создается сильное механическое давление. Под его воздействием мельчайшие ледяные кристаллы на поверхности снежинок начинают слегка подтаивать, превращаясь в тонкую пленку жидкой воды. Однако стоит человеку разжать руки и тем самым снять избыточное давление, как эта вода мгновенно замерзает обратно. В результате подтаявшие грани снежинок прочно схватываются друг с другом, превращая рыхлую массу в плотный и крепкий ледяной шар. В завершение эксперимента ведущий Veritasium иронично посоветовал зрителям обязательно вспомнить об этих законах термодинамики и режеляции во время следующей зимней игры в снежки.
