ทำไมก้อนน้ำแข็งในแก้วถึงมีเสียง “เป๊าะ” ตอนเทน้ำลงไป ทั้งที่ยังไม่ละลาย?

หลายคนน่าจะเคยได้ยิน เวลาหย่อนน้ำแข็งลงแก้วแล้วเทน้ำตามลงไป จู่ ๆ ก็มีเสียง “เป๊าะ” หรือเสียงแตกร้าวเบา ๆ ดังขึ้นมาจากในแก้ว

ก้อนน้ำแข็งก็ยังอยู่ครบ น้ำก็ไม่ได้ร้อนจัด แล้วเสียงนั้นมาจากไหน?

คำตอบส่วนใหญ่ไม่ได้อยู่ที่ “น้ำแข็งกำลังละลาย” โดยตรง แต่อยู่ที่สิ่งที่เกิดขึ้น ภายในก้อนน้ำแข็งในช่วงไม่กี่วินาทีแรกหลังอุณหภูมิเปลี่ยน

ผิวนอกของก้อนน้ำแข็งได้รับความร้อนจากน้ำก่อน ขณะที่ด้านในยังเย็นจัดอยู่ ความเปลี่ยนแปลงที่ไม่พร้อมกันนี้ทำให้เกิด ความเค้นในเนื้อน้ำแข็ง และเมื่อความเค้นมากพอ รอยร้าวเล็ก ๆ ก็สามารถวิ่งผ่านก้อนได้

เสียงสั้น ๆ ที่เกิดขึ้นจากการแตกร้าวนั้น ก็คือ “เป๊าะ” ที่เราได้ยิน

น้ำแข็งไม่ได้เปลี่ยนอุณหภูมิพร้อมกันทั้งก้อน

ลองนึกถึงน้ำแข็งที่เพิ่งออกมาจากช่องแช่แข็ง

ด้านในของมันอาจมีอุณหภูมิต่ำกว่า 0°C อยู่หลายองศา แต่ทันทีที่เทน้ำลงไป ผิวนอกจะสัมผัสกับน้ำที่อุ่นกว่ามันทันที แม้น้ำนั้นจะรู้สึก “เย็น” สำหรับเราก็ตาม

ผิวนอกจึงเริ่มอุ่นขึ้นก่อน ขณะที่แกนด้านในยังคงเย็นกว่าเดิมมาก

เมื่ออุณหภูมิของส่วนต่าง ๆ ในก้อนไม่เท่ากัน เนื้อน้ำแข็งแต่ละบริเวณก็มีแนวโน้มเปลี่ยนขนาดไม่เท่ากัน เกิดแรงดึงและแรงกดภายในวัสดุ

ปรากฏการณ์แบบนี้เรียกโดยทั่วไปว่า thermal stress หรือความเค้นจากความต่างของอุณหภูมิ

จากความต่างอุณหภูมิ ไปสู่เสียง “เป๊าะ” ได้อย่างไร?

ถ้าย่อกลไกให้เห็นเป็นลำดับ จะประมาณนี้

น้ำที่อุ่นกว่าสัมผัสผิวน้ำแข็ง

↓

ผิวนอกเปลี่ยนอุณหภูมิก่อน

↓

ด้านในยังเย็นกว่า

↓

เกิดความเค้นภายในก้อน

↓

รอยร้าวเริ่มวิ่งผ่านน้ำแข็ง

↓

เกิดเสียง “เป๊าะ”

รอยร้าวบางเส้นมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า บางเส้นเล็กมากจนเราแทบไม่เห็น แต่ยังสามารถปล่อยพลังงานออกมาเป็นเสียงสั้น ๆ ได้

น้ำแข็งจริง ๆ ไม่ได้เนียนสมบูรณ์แบบ

ถ้ามองก้อนน้ำแข็งด้วยตา เราอาจรู้สึกว่ามันเป็นก้อนใสแข็งต่อเนื่องกันทั้งหมด

แต่ภายในอาจมีทั้ง ฟองอากาศ รอยร้าวเล็ก ๆ จุดที่แข็งตัวไม่สม่ำเสมอ หรือความเค้นที่เกิดขึ้นตั้งแต่ตอนแช่แข็ง

จุดเหล่านี้สามารถกลายเป็นบริเวณที่รอยร้าวเริ่มต้นได้ง่ายขึ้น เมื่อก้อนน้ำแข็งเจอการเปลี่ยนอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว

จึงเป็นเหตุผลหนึ่งที่น้ำแข็งสองก้อนซึ่งดูเหมือนกัน อาจตอบสนองไม่เหมือนกันเลยเมื่อเทน้ำลงไป

แล้วทำไมบางครั้งดังมาก บางครั้งแทบไม่ได้ยิน?

เพราะมีหลายตัวแปรเกิดขึ้นพร้อมกัน

อุณหภูมิของน้ำ มีผล — ถ้าน้ำอุ่นกว่าน้ำแข็งมาก ความต่างอุณหภูมิในช่วงแรกก็จะมากขึ้น

อุณหภูมิเริ่มต้นของน้ำแข็ง ก็สำคัญ — น้ำแข็งที่เพิ่งออกจากช่องแช่แข็งอาจเย็นกว่าน้ำแข็งที่วางไว้จนผิวเริ่มอุ่นแล้ว

ขนาดก้อน ก็มีส่วน เพราะก้อนใหญ่สามารถรักษาความเย็นไว้ด้านในได้นานกว่า ทำให้เกิดความต่างระหว่างผิวกับแกนได้ชัด

รวมถึงฟองอากาศ รอยร้าวเดิม และโครงสร้างของน้ำแข็งแต่ละก้อนด้วย

ดังนั้นจึงไม่มีสูตรว่าเทน้ำแบบไหนแล้วจะต้องดังทุกครั้ง

แม้น้ำจะเย็น ก็ยังทำให้น้ำแข็งแตกได้

ตรงนี้เป็นอีกจุดที่ชวนสับสน

เราอาจคิดว่า ถ้าเท “น้ำเย็น” ลงไป น้ำแข็งก็คงไม่เจอ thermal stress มากนัก

แต่คำว่าเย็นสำหรับคน กับอุณหภูมิของน้ำแข็ง ไม่ใช่อย่างเดียวกัน

น้ำที่อุณหภูมิ 5–10°C ยังอุ่นกว่าน้ำแข็งที่อาจอยู่ที่ -10°C หรือเย็นกว่านั้นมาก

ดังนั้นแม้น้ำจะเย็นสำหรับมือเรา แต่สำหรับผิวน้ำแข็ง มันยังเป็นการเพิ่มอุณหภูมิอย่างรวดเร็วได้อยู่

ทุกเสียงในแก้วมาจาก thermal stress หรือไม่?

ไม่จำเป็น

น้ำแข็งอาจกระแทกกับผนังแก้ว ก้อนน้ำแข็งอาจชนกัน หรือแก้วเองอาจเกิดเสียงเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน

เพราะฉะนั้น ถ้าเราได้ยินเสียงเพียงอย่างเดียว จะฟันธงไม่ได้ว่าเป็นรอยร้าวภายในน้ำแข็งทุกครั้ง

แต่ถ้าเห็นรอยแตกใหม่เกิดขึ้นพร้อมกับเสียง โดยเฉพาะหลังเทน้ำลงบนก้อนน้ำแข็งที่เย็นจัด ความเค้นจากอุณหภูมิเป็นคำอธิบายที่สมเหตุสมผลมาก

เสียงเล็ก ๆ ในแก้ว คือฟิสิกส์ของวัสดุที่เกิดขึ้นต่อหน้าตา

สิ่งที่น่าสนใจของเรื่องนี้คือ เราไม่จำเป็นต้องมีห้องทดลองเพื่อเห็นผลของความต่างอุณหภูมิและความเค้นในวัสดุ

เพียงน้ำหนึ่งแก้วกับน้ำแข็งไม่กี่ก้อนก็เห็นได้แล้ว

ผิวนอกอุ่นขึ้นก่อน ด้านในยังเย็น ความเค้นสะสม รอยร้าวเคลื่อนผ่านเนื้อวัสดุ แล้วพลังงานบางส่วนออกมาในรูปของเสียง

ครั้งหน้าถ้าเทน้ำลงไปแล้วได้ยิน “เป๊าะ” จากก้อนน้ำแข็ง ลองมองใกล้ ๆ

บางทีเสียงที่ได้ยินอาจเป็นจังหวะเดียวกับที่ รอยร้าวเส้นใหม่กำลังวิ่งผ่านก้อนน้ำแข็งอยู่ตรงหน้าเรา