Дождевые капли на ветровом стекле

С какой скоростью нужно ехать, чтобы дождь разбил ветровое стекло?
— Дэниэл Батлер

Быстро.

*Постойте. Вы тот коп с радаром из прошлого выпуска? Я, пожалуй, просто оплачу штраф.*

Дождевые капли крошечные. Даже в самый сильный ливень вода в воздухе весит меньше, чем сам воздух (это одна из причин, по которым плыть вверх во время ливня невозможно). Даже на очень высоких скоростях капли не могут разбить лобовое стекло только за счет собственного импульса.

В нормальных условиях капли вообще не повреждают переднее стекло автомобиля. Впрочем, они могут уничтожить окна сверхзвукового самолёта.

Вот что происходит, когда дождевая капля ударяется о поверхность стекла на большой скорости:

Когда мелкая капля вступает в контакт с поверхностью, через каплю проходит ударная волна в направлении, обратном движению.

*Здесь сложная серия взаимодействий, так как друг за другом идут несколько ударных волн.*

Обычно эта волна двигается со скоростью звука в жидкости — примерно 1300 м/с (в четыре раза быстрее, чем в воздухе). Однако при больших скоростях столкновения ударная волна распространяется значительно быстрее скорости звука в воде.

Вода между влетающей каплей и поверхностью стекла начинает сжиматься, отчего разбрызгивается во все стороны. Эти струи воды могут двигаться ещё быстрее, чем первоначальная (уже сверхзвуковая) мелкая капля или те ударные волны, о которых мы упомянули.

В одной статье провели моделирование столкновения мелких дождевых капель с поверхностью на скорости 500 м/с (примерно 1,5 Маха) и обнаружили, что вода разбрызгивается из точки контакта со скоростью, большей 6000 м/с — 18 Махов^[1].↲Довольно простой способ выталкивать материал на скорости 6 км/с. Интересно, пытался ли кто-нибудь придумать систему запуска космических кораблей на таком принципе…

Резкий импульс ударной волны может расколоть стекло. Самые большие давления сосредоточены в кольце около края капли и существуют крошечную долю времени столкновения.

Удивительно много статей, моделирующих это. Возможно, потому что проводили много исследований, как сделать воздушное судно, которое сможет быстро и безопасно пролететь зону неустойчивой погоды.

Помимо прямого давления капель, водяные струи тоже могут повредить. Если в материале много микроскопических дыр, трещин или выпуклостей, струи могут ударять по ним и создавать новые трещины либо расширять уже существующие.

Даже на высоких скоростях дождевая капля сама не пробьёт дыру, как пуля. Но длинный ряд сверхзвуковых мелких капель начнёт подтачивать стекло, растрескивая его и создавая ямки на поверхности, словно на песке^[2].↲«Эрозия» этого типа может также нанести ущерб лопастям паровых турбин.↳ В конце концов лобовое стекло может катастрофически разрушиться.

К счастью, машину не получится вести со скоростью 1 Мах без отрыва от земли, так что от обычного дождя ваше лобовое стекло не пострадает. С другой стороны, если вы едете в грозу с сильными восходящими потоками…

Паутины трещин на стекле могут быть красивыми. Но есть и другие красоты. Вместо быстрой езды или поиска града я бы лучше припарковался и смотрел на свет на приборной панели через капли, стекающие по ветровому стеклу. Это так же странно и сложно, как узоры трещин на стекле, и, думаю, даже приятнее.

…осадки смогут разбить ваше стекло на любой скорости.