Почему стеклянные бутылки лопаются в морозилке? Это не то, что мы думали

Готовы расстаться с ещё одним упрощённым представлением о мире, чтобы на шаг приблизиться к истине? Стеклянные бутылки лопаются в морозильной камере не только потому, что вода расширяется при замерзании.

Треснувшая бутылка в морозилке — это не просто невезение, а неумолимая физика. Учёные из Амстердамского университета наконец-то разгадали загадку, почему стеклянные бутылки с водой разрушаются при замерзании, и дело не только в расширении льда. Настоящий виновник — скрытый карман с жидкостью, который становится бомбой замедленного действия, когда вокруг него образуется лёд.

На этот счёт шутит ведущий автор исследования Менно Деммени.


— Деммени.

В школе мы узнали, что вода при замерзании расширяется, в отличие от большинства других веществ. Обычно в этом расширении винят замораживание, которое приводит к повреждениям ёмкости. Но вот в чём дело: если бутылка заполнена только наполовину, почему она всё равно может треснуть? Разве льду не должно было хватить пространства, чтобы расширяться без ущерба для бутылки?

Группа исследователей провела более 120 экспериментов со стеклянными бутылками разного размера. Они добавляли в воду синий краситель, который при замерзании вытеснялся в область пока ещё жидкой воды, что позволяло наблюдать, где именно и когда образуется лёд. Объём окрашенной воды замерзал, теряя синеву от краёв к центру, в течение 42 минут. Через 34 минуты прозрачный лёд полностью окружал всё ещё жидкий синий слой воды. Когда этот слой воды замерзал через несколько минут, он создавал достаточное давление, чтобы развалить ёмкость



Оказывается, повреждения возникают не только потому, что вода расширяется при замерзании. Это происходит из-за того, как именно образуется лёд в ёмкости. Когда вода твердеет в бутылке, она обычно начинает замерзать сверху, там, где соприкасается со стеклом и воздухом. Так образуется ледяная «пробка». Затем вода продолжает замерзать вовнутрь, в результате чего в середине остаётся карман с жидкостью, полностью окружённый льдом.

Когда этот замкнутый карман наконец замерзает, ему некуда расширяться. Давление, которое он создаёт, огромно: его достаточно, чтобы деформировать сталь, и оно вчетверо больше, чем может выдержать стеклянная бутылка. Вот почему сосуд трескается.

Исследователи сняли на видео десятки образцов окрашенной в синий воды, замерзающей при температуре −30 °C. Удивительно, но не имело значения, насколько велик или мал образовавшийся жидкий участок внутри — давление, которое он создаёт, всегда одинаково. Вот почему даже бутылки с небольшим количеством воды могут разбиться.

Изменение свойств поверхности стекла может полностью предотвратить явление. Когда учёные обработали стекло водоотталкивающим средством, вода образовала ровную поверхность, а не изогнутую. Внесённая «поправка» привела к тому, что лёд начал формироваться снизу, а не сверху, позволяя жидкости подниматься вверх по мере замерзания.

В обычных стеклянных ёмкостях вода слегка изгибается в месте соприкосновения со стеклом. Молекулы на стыке двигаются не так активно, поэтому это место замерзает первым.

Экспериментаторы также обнаружили, что ёмкости меньшего размера реже бьются. Вода во флакончиках остывает быстрее, потому что площадь поверхности больше по сравнению с объёмом жидкости. Из-за этого вода остывает ниже 0 °C до того, как превратится в лёд.

Переохлаждённая вода замерзает по-другому. Вместо того, чтобы образовывать сплошной кусок льда, она создаёт ветвящиеся ледяные узоры, в которых задерживаются крошечные пузырьки воздуха. Эти пузырьки действуют как маленькие амортизаторы, снижая давление на ёмкость.

Те же принципы, которые объясняют явления в морозильнике, применимы и к повреждениям от мороза в дорожных покрытиях, зданиях и исторических памятниках. Понимание того, как лёд образуется и повреждает материалы, поможет инженерам проектировать более надёжные конструкции для холодного климата, а реставраторам — защищать ценные артефакты.

Итак, стеклянная бутылка взрывается в морозильнике не просто из-за расширения воды, а из-за особой последовательности замерзания, которая удерживает воду в плену у льда и создаёт огромное давление. С бытовой точки зрения истина известна давно: не ставьте стеклянную тару в морозильник либо воспользуйтесь пластиковой.