Jégcsap alakja idegen, mint a gondolat

(Inside Science) - Nézze meg az ablakán a jégcsapokat, amelyek növekedni kezdenek a tetők és az autó lökhárítók szélén, és azt gondolhatja, hogy az összes jégcsap egyforma - hosszú, egyenes és hegyes - alakú.

De kanadai tudósok azt találták, hogy a szél és a víz finom különbségei furcsa alakú jégcsapokat eredményezhetnek. A kutatók egy beltéri jégcsapkészítő géppel vitattak egy matematikai elméletet, amely szerint minden jégcsap hajlamos növekedni a rajzfilmekben idealizált kúpszerű forma felé.

"Az ideális jégcsap, a matematikailag minimális jégcsap elegáns és gyönyörű" - mondta Stephen Morris, a jégcsaptermesztő, a Torontói Egyetem fizikusa. - De a valóság sokkal bonyolultabbnak bizonyult.

A jégcsap nő, mert nedves. Amint a víz egy jégcsap felületén vékony filmben fut le, néhány megdermed a hideg levegőben, a többi pedig lecsöpög a hegyéről - ami valójában nem hegyes, de nagyító alatt homorú, mint egy fejjel lefelé csésze.

Az arizonai egyetemen (Tucson) Martin Short fizikus tavaly azt állította, hogy minden jégcsap inkább az ideális forma felé növekszik, és feltette az alak magyarázatához szükséges fizikai szabályokat.

Miután az Egyesült Államok délnyugati részén nőtt fel, Short mindennapjaiban kevés jégcsapot látott. Meg inspirálta, hogy tanulmányozza a téli jelenségeket, miután évekig látogatta Arizona barlangjait és tanulmányozta a cseppköveket, amelyeket szintén a csepegő víz hoz létre, és lefelé nőnek.

- Megállapítottam, hogy meg tudod jósolni a cseppkövek ideális alakját - mondta Short. "Úgy döntöttünk, hogy a jégcsapok alakját tanulmányozzuk a cseppkövek alakja alapján."

A jégcsap hosszú és hegyes formájának titka szerinte a körülötte lévő levegő. Mivel a csepegő víz a jégcsap felszínére fagy, hőt bocsát ki a környezetébe. Csendes levegőben ennek a meleg levegőnek meg kell emelkednie, takarót képezve a jégcsap körül. A hegy hűvösebb marad, mint az alap, így a teteje nem nő szélesebbé, amikor a nedves hegy megfagy és megnyúlik.

Ennek a hatásnak, Short számításai szerint, a jégcsapokat olyan alak felé kell vezetnie, amely széles matricától keskenyebbé válik egy adott matematikai függvény szerint.

"A jégcsapok többségének ilyen alakúnak kell lennie" - mondta Short. "Ezt a sajátos (kúpszerű) formát akarják megszerezni."

De Morrist nem győzte meg a jégcsapok hét fényképe, amelyet az elmélet tesztelésére nézett.

"Körbe akartunk autózni, és 100 jégcsapot gyűjtöttünk a tetőkről (az elmélet teszteléséhez)" - mondta. - De kiderül, hogy ezt nem olyan könnyű megtenni.

Ehelyett ő és Antony Szu-Han Chen olyan eszközt építettek, amely 93 jégcsapot növesztett különböző körülmények között és különböző vízforrások mellett. A készülék tetején egy fúvóka vizet szórt egy növekvő jégcsapra, amely egy rotisserie stílusban forgott emelvényen lógott. A forgás, amely túl lassú ahhoz, hogy befolyásolja a jégcsap alakját, elősegítette, hogy a növekvő jégcsap minden oldalát egyformán kitegye a ventilátor hideg szellőjének.

"Olyan ez, mint a hús a nyárson egy barbecue-nál" - mondta Morris. "Forgatjuk (négy percenként egy fordulat), hogy minden oldal számára azonos bánásmódot nyújtsunk."

Tiszta desztillált vízzel táplálva a másfél láb hosszú jégcsapok gyakran olyan pontokat képeztek, amelyek hasonlítottak Short jóslataihoz.

De a jégcsapok leginkább akkor nem voltak kúpszerűek, amikor a levegő még mozog, ahogy az elmélet azt jósolta, hanem amikor a levegő mozgott. Csendes levegőben a jégcsap gyakran megnövekedett lábakkal, több csúcsra elágazva.

A víz típusa is befolyásolta az alakot. A csapvízből kinőtt jégcsapok hajlamosak meghajlani és kidudorodni.

Ennek elmagyarázásához szükség lehet ezeknek a jégcsapoknak a közelebbi vizsgálatára - mondta Kazuto Ueno, a quebeci egyetem Chicoutimiből.

A jégcsapok általános alakjának tanulmányozása helyett Ueno arra összpontosít, hogy a vékony vízréteg hogyan fagy meg a jégcsap felületén. Reméli, hogy jobb módszereket kínál az elektromos vezetékek és a repülőgép szárnyainak jegesedési problémáinak leküzdésére.

A jégcsap felülete nem mindig sima. Gyakran apró gyűrűszerű hullámok borítják. 2003-ban Ueno felfedezte, hogy ezek a hullámok mindig azonos távolságra vannak egymástól.

"A két hullámcsúcs közötti távolság mindig egy centiméteres skála körül mozog, ami szinte független a levegő hőmérsékletétől, a víz áramlási sebességétől és a légáramtól" - mondta Ueno, aki elméletet dolgozott ki ennek magyarázatára a víz felületi feszültsége alapján.

Az arxiv.org oldalon online közzétett Morris kísérletei szerint ezek a hullámok új jég hozzáadásával feltérképezik a növekvő jégcsapok oldalait. Ezt Ueno elmélete megjósolta, de a hullámosságok, csakúgy, mint az általános forma, még mindig nem teljesen értettek.

Az elméletek tesztelésével a jégcsapkészítő gép több kérdést is felvethetett, mint amennyit megválaszolt. De ez mind a tudományos folyamat része Morris számára, aki karrierjét azzal töltötte el, hogy leleplezze a természetben lévő tárgyak összetettségét - a homokdűnéktől a turbulens vízig.

"Egyesek szerint homokszemben láthatja a világot" - mondta Morris, William Blake brit költőt idézve. - Jégcsapban is látom.