Задание №177861: Турнир Ломоносова 2005

4. Трудно предположить, что лёд из каналов куда-то делся и туда вме-
сто 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, непо-
средственно (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.
27

Допустим, на пути продвигающегося в глубь воды льда попался
пузырёк воздуха. В этом месте лёд образовыватьсяперестанет (там про-
сто 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 теплопровод-
ность, а с другой стороны — с водой. В результате условия для охлажде-
ния 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. Раствори-
мость многих газов в воде снижается с уменьшением температуры, а
в лёд газы «вмерзают» ещё менее охотно. То есть избыточная концен-
трация растворённых в воде газов образуется как раз около границы
намерзания. Скорее всего именно эти газы выделяются из воды на гра-
нице 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 про-
исходит само собой после промерзания нижней её части.)
В заключении отметим, что, хотя предложенное объяснение выгля-
дит достаточностройно и убедительно, экспериментально проверить его
очень непросто (что жюри турнира и не сделало). Прежде всего — про-
цесс происходить 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 про-
сто (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. (Зимой 2003/2004 учебного года водосточная труба отвали-
28

лась сама по себе от здания Физического факультета МГУ (никто не
пострадал). Это случилось как раз в день одного из туров Москов-
ской городской олимпиады школьников по физике; проходившие мимо
сотрудники жюри олимпиады притащили одну из образовавшихсякруг-
лых ледяных глыб в лабораторию, вырезали (с помощью проволоки,
подогреваемой электрическим током) из неё круглый «блин» и сфото-
графировали. Получилось вот что:



















Оригинал этой фотографии (графический файл формата
JPEG) опубликован на www-страничке Ломоносовского турнира
http://www.mccme.ru/olympiads/turlom/2005 )