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-20℃,北京的小伙伴们也可以拥有“泼水成冰”的快乐啦!

The following article is from 数字北京科学中心 Author 北京科学中心

审核专家:吴宝俊

理论物理博士


每年冬天,“泼水成冰”的视频和照片都火爆网络,各地有条件的小伙伴纷纷效仿,甚至还有人专门去漠河打卡。


1月6日,强劲的冷空气已抵达北京,夜间至7日早晨最低气温在-20℃上下。在北京的小伙伴们不用远赴东北,在家门口就可以真实体验一把泼水成冰啦!

北京日报客户端记者在北京体验泼水成冰 

来源 | 北京日报客户端

这份冬日限定快乐,背后到底蕴藏着什么样的原理呢?我们要如何才能get到“泼水成冰”的小技巧呢?


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“泼水成冰”的原理
要想真正了解“泼水成冰”的原理,首先要对水的三种状态有所认识。水存在的方式是气态、液态和固态,彼此之间相互转化。水要想变成冰,要么是水凝结成冰,要么是水蒸气凝华成冰,两者都伴随着能量的变化。

我们经常在短视频中看到的“泼水成冰”的过程实际上就存在着这两种物理现象。

一种是泼洒出去的热水形成无数的小水滴,小水滴在低温下形成小冰晶。可以说这是真正的“泼水结冰”,它的形成需要满足“过冷水滴”和环境温度达到-40℃两大重要条件。

“过冷水滴”是指水结冰时,水分子的排列由不规则变为正六边形,水分子要想结冰,必须附着在一些杂质上才可以,因此完全不含杂质的纯净水是很难成为冰晶的。当温度低于零摄氏度且不是太低时,纯净水可能仍然不会结冰,此时也就形成了“过冷水滴”。水滴越小、越纯,冷却的可能性越大。
来源 | 凤凰网
大气中存在着很多直径小于100微米的液滴,它们即使在零下三十多摄氏度的低温条件下依然保持液态。当飞机尾气所含的杂质遇到这些大气中的 “过冷水滴”,就会迅速结冰,因此也出现了日常生活中经常见到的“飞机拉线”。 
来源 | 腾讯
-40℃则是“过冷水滴”瞬间成冰的临界温度,当温度到达这个数值,水滴会产生两个物理变化,在低温条件下开始冻结并体积增大,同时释放潜热,随即水滴会由外向内逐渐冻结。因此当气温低、水滴小时,水滴的结冰速度就越快。

第二种是泼洒出去的部分水滴首先汽化成为水蒸气,细小水蒸气凝华成冰晶或者凝结成小水滴,可以称作“水蒸气成冰”。当我们将水泼出去的瞬间,水处于高速运动状态,在空气阻力以及惯性离心力的作用下,水会克服表面张力并形成大量的小液滴。

这一变化瞬间增加了水的表面积,热量因此迅速流失并在此过程中会产生大量的水蒸气。这些水蒸气遇到冷空气中迅速饱和,形成无数的细小的冰晶,我们所见的“泼水成冰”现象就此显现。 
凝华现象 来源 | 网络
而文章开头的“记者在北京体验泼水成冰”的视频就是第二种“水蒸气成冰”。我们在视频中看到的白茫茫的一片,是水蒸气遇低温后液化而成的小水滴,如同寒冷冬天在室外说话或呼吸时呼出的白气一样。

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如何做到“泼水成冰”

为了揭开“泼水成冰”的奥秘,有实验者在零下36℃的黑龙江做了三种实验,一是把一杯10℃的水泼向天空,结果是水在半空没有结冰,也没有惊艳的视觉效果。二是实验者把37℃的水,泼向空中,此时出现一些水汽,可是此时依旧没有出现惊艳的“泼水成冰”效果。三是使用90℃的热水泼向空中,直到这次,热水划成弧线,形成完美的“泼水成冰”效果。


可见在“泼水成冰”中,热水有着神奇的魔力,当低温环境和滚烫的热水相配合才可以出现亮眼的“泼水成冰”。之前我们已经解释过在“泼水成冰”中,水蒸气在极端寒冷空气里凝结成水滴或者凝华成小冰晶,热水明显比凉水更容易形成水蒸气。


此外,“泼水成冰”的朦胧美主要在于大量足够多的细小水滴,当温度高时水的表面张力小,更容易形成小水滴,因此当较高温度的水泼向空中才能出现惊艳的效果。

来源 | 网络


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姆潘巴效应
由于“泼水成冰”中的试验者大多用到了热水,因此也有人认为这与姆潘巴效应有关。
来源 | 网络
这是一种发现于1963年的现象。当时,一名叫埃拉斯托·姆潘巴的学生在做冷冻食品的课堂上,往热牛奶里加了糖,并准备放进冰箱里做冰淇淋。后来等他打开冰箱后,他惊奇的发现只有自己的杯子里变成了美味的冰淇淋,而其他同学用冷水做的还没有结冰。

热水比冷水先结冰这一现象引发了姆潘巴的好奇,他把这一发现告诉了告诉达累斯萨拉姆大学物理学教授奥斯本博士,为了求证真实性,奥斯本又进行了一次实验,结果符合姆潘巴的描述,证实了热水在低温下比冷水结冰快

这是一种违反人们日常经验的现象,对于这一问题科学家们还在不断探寻。但姆潘巴现象或许这也可以解释“泼水成冰”为什么必须用热水,因为热水更容易结冰。 

想必很多在北京的小伙伴已经按捺不住了,想要亲自尝试一下了。不过要想成功get“泼水成冰”,还要具备其他几个要素:
  • 水够热、瓶口小、用力泼。偷偷告诉大家,用加过滤网的保温杯效果更佳!

  • 逆光连拍,拍摄时间选早晨或下午太阳比较低的时候。
  • 尽量向斜上方泼才能泼出美感,最重要的是这样能避免“湿身”和烫伤。
  • 照相机机位尽量低一些,与泼水形成的抛物线垂直,拍摄效果最佳。

来源 | 腾讯
如果你也想体会真正的“泼水成冰”的快乐的话,那不妨去到气温在-40℃左右的地方。那样,泼出去的小水滴都会形成小冰晶,否则泼出去的水还是以“水”的形态落在地上。

最后,再强调一句,体验需谨慎,注意所在环境是否达到泼水成冰的条件,注意以上所说的几个要素,避免被烫!这样才能愉快地玩耍并拍出“称霸”朋友圈的好图片!


原文标题:-17℃,北京的小伙伴们也可以拥有“泼水成冰”的快乐啦!

原文根据天气变化略有改动。

来源:数字北京科学中心

编辑:zhenni


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