Разделы 
Дополнительно
Задача по физике - 5491
2017-11-29 
Весной во время таяния льда на водоёмах иногда можно заметить, что лёд пронизан длинными круглыми вертикальными каналами (диаметром примерно 1 мм), заполненными воздухом. Похожее явление наблюдается, когда лёд заполняет внутренность водосточной трубы. Но там каналы располагаются горизонтально по направлению от центра трубы к стенкам (если сама водосточная труба при этом располагалась вертикально). Предложите объяснение механизма образования таких каналов.
Решение:
Трудно предположить, что лёд из каналов куда-то делся и туда вместо него попал воздух. Скорее всего льда там никогда и не было, а всегда был воздух.
Вот как это, например, могло получиться.
Лёд обычно образуется постепенно. Уже имеющийся массив льда охлаждается (например, отдавая теплоту атмосферному воздуху, непосредственно (водоём) или через металлические стенки водосточной трубы). В результате охлаждения на границе льда с водой всё новые и новые слои воды охлаждаются и замерзают, превращаясь в лёд.
Допустим, на пути продвигающегося в глубь воды льда попался пузырёк воздуха. В этом месте лёд образовываться перестанет (там просто нет воды для замерзания), получится лунка.
Для образования длинного канала необходимо, чтобы эта ситуация была устойчивой. Выясним, почему это происходит, то есть почему лёд не может обойти с боку этот пузырёк и, оставив внутри себя полость с воздухом, продолжить намерзать дальше. Дело здесь видимо в том, что вокруг пузырька образуется кромка льда, которая с одной стороны соприкасается с воздухом (пузырьком), имеющим плохую теплопроводность, а с другой стороны — с водой. В результате условия для охлаждения воды около этой кромки хуже, чем вокруг, поэтому и лёд на этой кромке нарастает медленнее. Чем больше лёд «попытается» обхватить пузырёк, тем острее и тоньше получается эта кромка, и тем медленнее там должно происходить намерзание льда.
Кроме этого, для образования канала нужно ещё и постоянное пополнение запаса воздуха (иначе лед вокруг пузырька рано или поздно всё-таки намёрзнет). Наиболее вероятное объяснение такое. Растворимость многих газов в воде снижается с уменьшением температуры, а в лёд газы «вмерзают» ещё менее охотно. То есть избыточная концентрация растворённых в воде газов образуется как раз около границы намерзания. Скорее всего именно эти газы выделяются из воды на границе с уже имеющимися пузырьками.
В водоёме намерзание льда идёт сверху (от поверхности) вниз, а в водосточной трубе, заполненной водой — от стенок к центру. Именно в этих направлениях и образуются в каждом случае воздушные каналы. (Водосточную трубу специально заполнять водой не нужно — это происходит само собой после промерзания нижней её части.)
В заключение отметим, что, хотя предложенное объяснение выглядит достаточно стройно и убедительно, экспериментально проверить его очень непросто. Прежде всего — процесс происходит в труднодоступном месте (подо льдом), и наблюдения необходимо вести длительное время. А например, помещение под лёд электронной видеокамеры скорее всего приведёт к перераспределению тепловых потоков и искажению результатов.
И даже наблюдать последствия описанных процессов не очень просто (скорее всего, именно поэтому на них обращают мало внимания). На водоёме (это наблюдалось, например, на прудах в Измайловском парке Москвы) достаточно дождаться весны (или придётся вырубать кусок льда зимой). А промёрзшую водосточную трубу скорее всего придётся сломать.
Весной во время таяния льда на водоёмах иногда можно заметить, что лёд пронизан длинными круглыми вертикальными каналами (диаметром примерно 1 мм), заполненными воздухом. Похожее явление наблюдается, когда лёд заполняет внутренность водосточной трубы. Но там каналы располагаются горизонтально по направлению от центра трубы к стенкам (если сама водосточная труба при этом располагалась вертикально). Предложите объяснение механизма образования таких каналов.
Решение:
Трудно предположить, что лёд из каналов куда-то делся и туда вместо него попал воздух. Скорее всего льда там никогда и не было, а всегда был воздух.
Вот как это, например, могло получиться.
Лёд обычно образуется постепенно. Уже имеющийся массив льда охлаждается (например, отдавая теплоту атмосферному воздуху, непосредственно (водоём) или через металлические стенки водосточной трубы). В результате охлаждения на границе льда с водой всё новые и новые слои воды охлаждаются и замерзают, превращаясь в лёд.
Допустим, на пути продвигающегося в глубь воды льда попался пузырёк воздуха. В этом месте лёд образовываться перестанет (там просто нет воды для замерзания), получится лунка.
Для образования длинного канала необходимо, чтобы эта ситуация была устойчивой. Выясним, почему это происходит, то есть почему лёд не может обойти с боку этот пузырёк и, оставив внутри себя полость с воздухом, продолжить намерзать дальше. Дело здесь видимо в том, что вокруг пузырька образуется кромка льда, которая с одной стороны соприкасается с воздухом (пузырьком), имеющим плохую теплопроводность, а с другой стороны — с водой. В результате условия для охлаждения воды около этой кромки хуже, чем вокруг, поэтому и лёд на этой кромке нарастает медленнее. Чем больше лёд «попытается» обхватить пузырёк, тем острее и тоньше получается эта кромка, и тем медленнее там должно происходить намерзание льда.
Кроме этого, для образования канала нужно ещё и постоянное пополнение запаса воздуха (иначе лед вокруг пузырька рано или поздно всё-таки намёрзнет). Наиболее вероятное объяснение такое. Растворимость многих газов в воде снижается с уменьшением температуры, а в лёд газы «вмерзают» ещё менее охотно. То есть избыточная концентрация растворённых в воде газов образуется как раз около границы намерзания. Скорее всего именно эти газы выделяются из воды на границе с уже имеющимися пузырьками.
В водоёме намерзание льда идёт сверху (от поверхности) вниз, а в водосточной трубе, заполненной водой — от стенок к центру. Именно в этих направлениях и образуются в каждом случае воздушные каналы. (Водосточную трубу специально заполнять водой не нужно — это происходит само собой после промерзания нижней её части.)
В заключение отметим, что, хотя предложенное объяснение выглядит достаточно стройно и убедительно, экспериментально проверить его очень непросто. Прежде всего — процесс происходит в труднодоступном месте (подо льдом), и наблюдения необходимо вести длительное время. А например, помещение под лёд электронной видеокамеры скорее всего приведёт к перераспределению тепловых потоков и искажению результатов.
И даже наблюдать последствия описанных процессов не очень просто (скорее всего, именно поэтому на них обращают мало внимания). На водоёме (это наблюдалось, например, на прудах в Измайловском парке Москвы) достаточно дождаться весны (или придётся вырубать кусок льда зимой). А промёрзшую водосточную трубу скорее всего придётся сломать.
