Rätsel der wellige Eiszapfen

(ISNS)--mit der winterlichen Ferienzeit nun angebrochen, Eiszapfen ihr bald beitreten werden hell und festliche dekorative Lichter entlang Dächern und Sparren. Natürliche Eiszapfen sind mehr als bequeme Dekorationen, jedoch für die University of Toronto Physiker Antony Szu-Han Chen und Stephen Morris. Sie sind ein eisiges Rätsel warten darauf, gelöst werden.

Ein Rätsel ist vor allem der Ursprung der Ripple Muster, die um den Umfang der Eiszapfen bilden. Durch die wachsende glatte und gewellte Eiszapfen in ihrem Labor, entdeckt das Paar eine Zutat, die entscheidend für die Bildung von Eiszapfen Wellen: Salz.

Zugabe von Natriumchlorid--schlicht Kochsalz--in Wasser stellt sogenannten ionische Verunreinigungen. Diese Form aufgrund des Vorhandenseins von positiv und negativ geladenen Atomen. Obwohl andere Eiszapfen Bildung studiert haben, haben keine Vorgängermodelle Auffassung ionische Verunreinigungen die primäre Quelle für Wellen sein könnte.

Eiszapfen aus Salzwasser gewachsen Wellen aufweisen, während Eiszapfen gewachsen aus reinem Wasser glatt sind, berichtete Chen und Morris in der New Journal of Physics im Oktober dieses Jahres. Die experimentellen Ergebnisse fordern führende Theorien, die besagen, dass Wellen bei Eiszapfen unabhängig von der Wasserreinheit bildest.

"Es war eine große Überraschung, dass das Salz einen Unterschied gemacht", sagte Morris.

Im Jahr 2010 errichtete Chen und Morris eine Vorrichtung, die Eiszapfen unter kontrollierten Wind- und Temperaturverhältnisse wächst. Sie fanden, dass Eiszapfen windstillen Bedingungen--in ruhender Luft--entwickelt mehrere angebaut, Zweig-ähnliche Tipps statt der bekannten Einzeldüse oft ausgestellt in der Natur hingewiesen.

Sie entdeckten auch, dass Eiszapfen gewachsen aus Leitungswasser weniger einheitlich in Form, prall und verdrehen mehr als Eiszapfen von destilliertem Wasser gewachsen waren. Mit der gleichen Maschine drei Jahre später, wuchs das Team 67 Eiszapfen aus Lösungen von destilliertem Wasser gemischt mit unterschiedlichen Mengen an Natrium-Chlorid. Diesmal, anstatt durch die Analyse der Form studierten sie die Bildung von Wellen auf der Oberfläche von Eiszapfen.

Eiszapfen wachsen in einer gekühlten Box, die eine Kamera, eine Düse, die Wasser tropft und eine Unterstützung aus der bildet die Basis der Eiszapfen schließlich enthält. Wie Fleisch am Spieß dreht der Eiszapfen an der Halterung befestigt mit einer gemächlichen Geschwindigkeit von einer Umdrehung alle vier Minuten als die Düse weiterhin tropft.

Die Forscher verwendeten sechs unterschiedliche Lösungen in ihrem Experiment, jeder mit einer unterschiedlichen Menge des gelösten Salzes. Mit salziger Lösungen gemessen das Team stärker ausgeprägte Wellen, die weiter entfernt vom Zentrum der Eiszapfen ragte.

Chen und Morris auch bewährte Lösungen mit anderen Arten von Verunreinigungen, wie jene von gelösten Gasen im Wasser, einschließlich gebildet aber fand, dass sie keinen Unterschied zur Bildung von Wellen gemacht. Daher schlossen sie, dass die Ionischen Verunreinigungen einer salzigen Lösung der Schlüssel zur Bildung von Wellen waren. In der Zukunft planen sie andere Ionischen Substanzen zu testen.

Die experimentellen Ergebnisse stehen im Einklang mit was Wissenschaftler beobachtet haben und mehr als zwanzig Jahren bekannt. Im Jahr 1990 entwickelt ein paar Wissenschaftler an der University of Alberta in Edmonton ein Modell, aus ihren Beobachtungen von "marine" Eiszapfen hergestellt aus salzige Lösungen, die "horizontalen Rippen oder Grate entwickelt." In dieser Studie haben die Forscher die Ionischen Eigenschaften von Salz in Wasser gelöst nicht berücksichtigt.

In der Tat, alle aktuelle Theorien der Welligkeit Bildung Fokus auf andere Faktoren wie Oberflächenspannung, sagte Chen, ein Physik-Student. Chen und Morris kämpfen immer noch mit der Theorie, die mit ihrem Experiment übereinstimmen.

Eine Person, die besonders daran interessiert, eine Theorie, die bereitwillig Eiszapfen Wellen erklären könnte ist Christopher Batty, Computer Graphics Forscher an der University of Waterloo in Ontario.

"Mit Computergrafik, wir sind immer interessiert an Detail und Realismus" Batty sagte. "Mit Simulationen können wir erforschen das theoretische Verständnis hinter Effekten wie Eiszapfen Wellen und auch verborgeneren Phänomene wie Tipp teilen Effekte."

Batty entwickelte Methoden zur Simulation der Strömung des Honigs und animieren von Spritzern und Wassertropfen. Während die Batty Computergrafik und computational Physics für akademische Zwecke verbindet, hängt der heutigen kommerzialisierten Digitalzeitalter verzweifelt Leute wie Batty, die Fluid Dynamics modellieren können.

Zum Beispiel in Reihenfolge für Disney-Animatoren, eine realistische Winterlandschaft zu schaffen, durch die die Charaktere in seinem neuesten Film Frozen tromp konnte, fordert es die Fähigkeiten von ein paar Informatikern der UCLA. Obwohl die Figuren im Film die klassischen Disney-Cartoon-Stil widerspiegeln, ist der Film Schnee so realistisch wie nie zuvor. Um dieses Maß an Realismus zu erreichen, entwickelte das Disney-UCLA-Team eine neuartige Schnee Simulationsmethode, die die Aufhäufung und Verpackung Verhalten von echtem Schnee modellieren konnte.

"Im Idealfall wäre es toll, etwas vergleichbar mit UCLA mit Frozen für Eiszapfen Bildung Taten durch Rückgriff auf welche Stephen Morris Experimente zeigen," sagte Batty.

Diese Geschichte wurde von innen Wissenschaft-News-Service bereitgestellt. Jessica Orwig ist Co-Autor für innen Wissenschaft-News-Service.