Снежинки ломаются ещё до рождения: скрытая сила в воздухе мешает природе создать идеальную форму
Снежинка кажется воплощением идеальной симметрии, но за её формой скрывается куда более сложная физика. Даже тонкие ледяные узоры на стекле подчиняются законам, которые не так просты, как принято думать. Физики УрФУ впервые провели комплексный анализ факторов, определяющих рост кристаллов воды — от снежинок до морозных рисунков. Об этом сообщили представители университета.
Почему снежинки не идеальны
Привычный образ безупречно симметричной снежинки — скорее визуальный эффект, чем строгий научный факт. В реальных условиях на Земле формирование кристаллов происходит под влиянием конвекции — переноса тепла и вещества в воздухе и воде. Дополнительную роль играет гравитация, которая изменяет распределение влаги и тепловых потоков вокруг растущего кристалла.
Исследователи отмечают, что из-за этих факторов снежинки не могут быть строго геометрическими. При этом кончик дендритного кристалла — его растущая вершина — нередко описывается параболической формой, что подтверждает существование определённых математических закономерностей. Однако в целом структура остаётся сложной и неровной.
Переохлаждение воды, скорость теплообмена и радиус кривизны отдельных участков кристалла определяют, насколько быстро и в каком направлении он будет расти. В условиях орбиты, где отсутствует гравитационное влияние, рост происходит иначе: снежинки формируются более симметрично и предсказуемо, подчиняясь главным образом внутренним законам кристаллизации.
Орбита как естественная лаборатория
Часть данных для анализа была получена в экспериментах в условиях микрогравитации на околоземной орбите. Отсутствие конвективных потоков позволяет учёным отделить фундаментальные механизмы роста от внешних воздействий.
Такой подход напоминает исследования, в которых физические процессы рассматриваются вне привычных ограничений среды. Подобно тому как в работе о невозможности обратного хода времени физики анализируют фундаментальные ограничения природы, здесь учёные стремятся выделить базовые принципы кристаллизации.
Полученная модель обобщает экспериментальные данные и описывает именно фундаментальные процессы, лежащие в основе роста ледяных структур. При этом авторы подчёркивают, что полное математическое описание формирования снежинок по-прежнему остаётся сложной задачей.
От оконных узоров до промышленности
Морозные рисунки на стекле подчиняются тем же физическим законам. На их форму влияют теплопроводность поверхности, локальные температурные перепады, конвекция и гравитация. Даже микронные различия в структуре стекла могут менять характер кристаллизации.
Понимание этих процессов важно не только для фундаментальной науки. Механизмы роста кристаллов лежат в основе затвердевания металлов и сплавов. Чем точнее описаны скорость роста, устойчивость межфазной границы и формирование ответвлений, тем легче прогнозировать дефекты в материалах.
Исследователи планируют применить разработанную модель к другим веществам, чтобы изучить кристаллизацию вне водной среды. Подобные работы дополняют общую картину физических закономерностей, как и современные подходы к парадоксам пространства и времени, рассмотренные в материале о модели самосогласованности времени.
