水滴由外向内冻结的快速动力学

一滴从外向内冻结的水提出了一个有趣的问题：水结冰时的膨胀与刚性冰壳的自约束不相容。利用高速成像，我们表明这一难题通过脆性冰壳的间歇性破裂和封闭液体中的空化得以解决，最终导致部分冻结液滴的爆炸。我们提出了一个基本模型来阐明应力的稳定积累与其快速释放之间的相互作用。该模型揭示，对于毫米级液滴，爆炸时的碎片速度与液滴尺寸无关，仅取决于材料属性（如冰的拉伸应力和水的体积模量）。另一方面，对于小的（亚毫米）液滴，表面张力开始起作用。在此范围内，我们预测半径小于50微米的水滴根本不太可能爆炸。我们期望我们的发现与冻结云和雨滴的建模相关。