Давление для сжатия льда

Давление для сжатия льда

Главное меню

Строительные работы

Сила статического давления льда

При замерзании вода увели­чивает свой объем приблизительно на 9%, но давление ледяного поля в процессе его формирования незначительно. Последующее понижение температуры воздуха приводит к понижению темпера­туры льда и уменьшению его объема, как всякого твердого тела, а повышение температуры — к расширению. Давление льда на со­оружение проявляется тогда, когда расширению ледяного поля препятствует противоположный берег. Лед примерзает к смерзше­муся грунту берега, и поэтому даже при пологом береге следует ожидать появление давления от температурного расширения льда, которое вызывает силу, равную

(2.19)

где b — ширина фронта соприкосновения льда с сооружением; h_л — максимальная толщина льда обеспеченностью 1%; р — удель­ное давление льда, определяющееся по СНиП П-57-75; к_L — коэффициент, снижающий силу давления льда с увеличением протяженности L ледяного покрова в направлении от сооружения до противоположного берега.

Силу давления остановившегося ледяного поля, наваливающе­гося на сооружение под воздействием ветра, течения воды подо льдом и вследствие уклона потока определяют по формуле

(2.20)

где v и W — скорости течения воды подо льдом и скорость ветра, м/с;

i — уклон поверхности потока;

h_л — толщина ледяного поля, равная 0,8 от наибольшей, обеспеченностью 1% за зимний период, м; L, — длина ледяного поля, м (при отсутствии натурных наблю­дений реки принимается равной утроенной ширине реки) и его пло­щадь, м 2 .

При получаем силу Р_л.нав, выраженную в кН, при получаем в кгс. В формуле (2.20) в скобках суммируются следую­щие силы, отнесенные к единице площади ледяного поля: сила трения потока о нижнюю поверхность поля; гидродинамического давления на кромку поля; сила, обусловленная влиянием уклона поверхности потока; сила трения воздуха о наружную поверхность ледяного покрова.

Определение вертикальной нагрузки и изгибающего момента от примерзшего поля, действующего на подпорное сооружение, а также нагрузки от зажорных масс льда.

Источник

Эксперимент по сжатию льда не подтвердил «двуличность» воды

Новая серия опытов по исследованию льда при высоком давлении не позволила обнаружить фазовые переходы, которые должны были быть, если бы вода была смесью двух жидкостей. Опираясь на предыдущие работы, ученые хотели изучить процесс превращения обычного льда в аморфный лед высокой плотности, но формирования этой фазы не произошло. Эти результаты опровергают данные о термодинамической стабильности аморфного льда и не подтверждают двухжидкостную гипотезу строения воды, пишут авторы в журнале Nature.

С точки зрения физики, вода — очень непростое вещество, она отличается сложной фазовой диаграммой (зависимость стабильной формы от температуры и давления) и аномальными значениями теплоемкости и плотности. Многие из этих особенностей пока не получили полноценного теоретического объяснения. Одна из нерешенных проблем — стабильность некоторых твердых фаз воды. На данный момент известно как минимум 17 различных видов кристаллического льда и еще 3 вида аморфного льда, расположение молекул в котором не характеризуется дальним порядком.

Температура плавления самой распространенной в земных условиях формы замерзшей воды, льда Ih, уменьшается при увеличении давления. Это обстоятельство стало мотивацией знаковой работы 1984 года, в которой исследовался процесс «плавления» льда при температуре в 77 кельвинов и давлении 10 тысяч атмосфер. В результате ученые получили аморфный лед высокой плотности (high-density amorphous ice, HDA), который таким образом должен являться стеклообразным состоянием воды. HDA также можно сохранить и при нормальном давлении при низких температурах, но если в таких условиях его нагревать, то он превращается в аморфный лед низкой плотности (LDA), а не в исходную кристаллическую форму.

Дополнительные исследования взаимопревращений HDA и LDA указали на скачкообразное изменение объема, а сам процесс обратим и протекает без каких-либо промежуточных состояний, что указывает на его принадлежность к фазовым переходам первого рода. Эти обстоятельства вдохновили теоретиков на создание модели воды как смеси двух жидкостей, так как граница между аморфными льдами могла продолжаться и в область переохлажденной воды — часть фазовой диаграммы, где вода может оставаться жидкой, хотя и при температуре ниже замерзания.

Эта фазовая граница теоретически должна заканчиваться в точке, называемой второй критической точкой воды по аналогии с первой критической точкой, где пропадает разница между жидкой водой и водяным паром. В рамках такого подхода при превышении температуры второй критической точки вода должна представлять смесь двух жидкостей с различными плотностями, а два вида аморфного льда связаны с ними.

В то время как абсолютное большинство кристаллов под давлением остаются веществами с дальним порядком, лед, а также минералы α-кварц и берлинит, долгое время считались единственными исключениями, превращающимися в аморфные вещества. Последние два соединения относительно недавно удалось превратить в кристаллы при наложении изотропного давления. В работе под руководством Криса Талка (Chris Tulk) из Национальной лаборатории Ок-Ридж в США впервые описываются эксперименты по сжатию льда изотропным давлением, которые были достаточно медленными, чтобы наблюдать переход в кристаллическое состояние.

В ходе эксперимента ученые замораживали трехмиллиметровую капельку тяжелой воды, в состав которой вместо обычного водорода входит его изотоп с дополнительным нейтроном в ядре — дейтерий. Образец охлаждали до 100 кельвинов, а затем в течение нескольких часов пошагово поднимали давление до 28 тысяч атмосфер. Между каждым увеличением давления лед исследовался методом нейтронографии, который позволяет установить кристаллическую структуру вещества. Тяжелая вода использовалась для усиления рассеяния нейтронов и увеличения точности метода.

Последовательность превращений льда. Сверху реально полученная в эксперименте, снизу — ожидаемая в модели воды как смеси двух жидкостей

Источник

Эксперимент по сжатию льда не подтвердил «двуличность» воды

Новая серия опытов по исследованию льда при высоком давлении не позволила обнаружить фазовые переходы, которые должны были быть, если бы вода была смесью двух жидкостей. Опираясь на предыдущие работы, ученые хотели изучить процесс превращения обычного льда в аморфный лед высокой плотности, но формирования этой фазы не произошло. Эти результаты опровергают данные о термодинамической стабильности аморфного льда и не подтверждают двухжидкостную гипотезу строения воды, пишут авторы в журнале Nature.

С точки зрения физики, вода — очень непростое вещество, она отличается сложной фазовой диаграммой (зависимость стабильной формы от температуры и давления) и аномальными значениями теплоемкости и плотности. Многие из этих особенностей пока не получили полноценного теоретического объяснения. Одна из нерешенных проблем — стабильность некоторых твердых фаз воды. На данный момент известно как минимум 17 различных видов кристаллического льда и еще 3 вида аморфного льда, расположение молекул в котором не характеризуется дальним порядком.

Температура плавления самой распространенной в земных условиях формы замерзшей воды, льда Ih, уменьшается при увеличении давления. Это обстоятельство стало мотивацией знаковой работы 1984 года, в которой исследовался процесс «плавления» льда при температуре в 77 кельвинов и давлении 10 тысяч атмосфер. В результате ученые получили аморфный лед высокой плотности (high-density amorphous ice, HDA), который таким образом должен являться стеклообразным состоянием воды. HDA также можно сохранить и при нормальном давлении при низких температурах, но если в таких условиях его нагревать, то он превращается в аморфный лед низкой плотности (LDA), а не в исходную кристаллическую форму.

Дополнительные исследования взаимопревращений HDA и LDA указали на скачкообразное изменение объема, а сам процесс обратим и протекает без каких-либо промежуточных состояний, что указывает на его принадлежность к фазовым переходам первого рода. Эти обстоятельства вдохновили теоретиков на создание модели воды как смеси двух жидкостей, так как граница между аморфными льдами могла продолжаться и в область переохлажденной воды — часть фазовой диаграммы, где вода может оставаться жидкой, хотя и при температуре ниже замерзания.

Эта фазовая граница теоретически должна заканчиваться в точке, называемой второй критической точкой воды по аналогии с первой критической точкой, где пропадает разница между жидкой водой и водяным паром. В рамках такого подхода при превышении температуры второй критической точки вода должна представлять смесь двух жидкостей с различными плотностями, а два вида аморфного льда связаны с ними.

В то время как абсолютное большинство кристаллов под давлением остаются веществами с дальним порядком, лед, а также минералы α-кварц и берлинит, долгое время считались единственными исключениями, превращающимися в аморфные вещества. Последние два соединения относительно недавно удалось превратить в кристаллы при наложении изотропного давления. В работе под руководством Крис Талк (Chris Tulk) из Национальной лаборатории Ок-Ридж в США впервые описываются эксперименты по сжатию льда изотропным давлением, которые были достаточно медленными, чтобы наблюдать переход в кристаллическое состояние.

В ходе эксперимента ученые замораживали трехмиллиметровую капельку тяжелой воды, в состав которой вместо обычного водорода входит его изотоп с дополнительным нейтроном в ядре — дейтерий. Образец охлаждали до 100 кельвинов, а затем в течение нескольких часов пошагово поднимали давление до 28 тысяч атмосфер. Между каждым увеличением давления лед исследовался методом нейтронографии, который позволяет установить кристаллическую структуру вещества. Тяжелая вода использовалась для усиления рассеяния нейтронов и увеличения точности метода.

Последовательность превращений льда. Сверху реально полученная в эксперименте, снизу — ожидаемая в модели воды как смеси двух жидкостей

Chris Tulk et al. / Nature, 2019

Авторы считают, что причина в медленных изменениях давления в рамках новых экспериментов, в то время как предыдущие опыты проводились гораздо быстрее. В результате структура льда успевала релаксировать и достигать термодинамического равновесия, формируя лед IX’, в то время как при быстром переходе из-за кинетики взаимодействия молекул получается HDA, который не является термодинамически более устойчивой фазой. Вместе с тем переход напрямую от льда Ih ко льду XV′ не происходит из-за слишком сильно различающихся структур.

«Взаимосвязь между порождаемым давлением аморфным льдом и водой теперь под сомнением, а вторая критическая точно может вовсе не существовать, — говорит Талк. — Выводы данной работы станут основой для анализа будущих работ по аморфным фазам воды».

Ранее ученые пришли к выводу, что схожесть жидкостей с водой определяется их тетраэдричностью. Также недавно впервые удалось получить воду пониженной плотности благодаря быстрой декомпрессии льда.

Источник

Сплоченность льда

Сплочённость (Concentration, compact) (табл. 1) – отношение мор­ской поверхности, покрытой льдом к общей видимой поверхности мо­ря. Выражается в десятых долях и процентах от видимой поверхности моря.

Таблица 1 Сплочённость льда

Таблица сплоченности льдов
Баллы	Площадь льдин	Покрытие поверхности воды льдом, %
Площадь воды
0	Льда нет	0 Лёд отсутствует
1	1/9	10 Редкий лёд (Very open ice)
2	2/8	20
3	3/7	30
4	4/6	40 Разрежённый лёд (Open ice)
5	5/5	50
6	6/4	60
7	7/3	70 Сплочённый лёд (Close ice)
8	8/2	80
9	9/1	90 (Very close ice)
10	Промежутков воды нет	100 Сплошной лёд (Compact ice)

Визуально сплочённость (балльность) льда (рис. 1) на поверхно­сти моря можно представить следующим образом:

Рис. 1 Сплочённость льда на водной поверхности

Торосистость льда

Торосистость льда (табл. 2) – соотношение площади, покрытой торосами к видимой общей площади, покрытой льдами. Измеряется в процентах или баллах.

Таблица 2 Национальная шкала торосистости льда

Шкала торосистости льда
Балл визуальной системы	Характеристики поверхности ледяного покрова
		0	Ровный лед
		1	Редкие торосы по ровному льду
2	Ровный, частично торосистый лед
3	Лед средней торосистости
4	Сильно торосистый лед
5	Лед сплошь покрытый торосами

Торосы – (Hummocks) – отдельные нагромождения обломков льдин на ледяном покрове, образующиеся вследствие столкновения или сжатия льдов.

Рис. 2 Сжатие и торошение льда

Торосистость льда возникает как следствие раздробления ледя­ных полей под действием бокового давления, вызванного подвижками льда (рис. 2).

Сжатие льда

Сжатие льда – уплотнение ледяного покрова под влиянием ветра и течения.

Сжатие льда также наблюдается во время приливо-отливных яв­лений независимо от действия ветра. Ветер может только усилить или ослабить его.

Сжатие льда оценивается по трёхбалльной системе, в которой 1 балл соответствует слабому сжатию, 3 балла – сильному (табл. 3).

Таблица 3 Шкала оценки сжатия льда

Шкала сжатия льда
Характеристика сжатия льда	Степень сжатия	Состояние ледяного покрова
Лёд не сжат	0	Среди сплочённых льдов наблюдаются ка­налы, незакрывающиеся трещины и разво­дья; на стыках полей отсутствуют свежие торосы и выпучивания тёртого льда.
Лёд слабо сжат	1	В зоне сжатия наблюдаются отдельные разводья и свежие трещины; ледяная каша между льдинами уплотнена; среди ниласа и серых льдов повсеместно видны наслое­ния; среди серо-белых льдов – торосистые образования.
Лёд заметно сжат	2	В зоне сжатия сохранились лишь редкие разводья и узкие трещины; тёртый лёд ча­стично выжат на края льдин; молодые льды выторошены; на стыках полей наблюдаются свежие торосистые образо­вания.
Лёд сильно сжат	3	Пространства чистой воды и открытые трещины отсутствуют; молодой лёд полностью выторошен, а ледяная каша боль­шей частью выжата; на краях льдин наблюдаются валы, на стыках полей – гря­ды торосов.

Дрейф льда

Дрейф льда – движение ледяного поля под действием ветра или течения.

Движение льда имеет значительное влияние на проведение мор­ских операций. Подвижный лёд создаёт условия, как затрудняющие (сжатие, торошение), так и упрощающие (полыньи, разводья) их.

Изменения в ледовой обстановке могут быть весьма быстрыми. Способность понимать и прогнозировать эти изменения имеют важное значение для обеспечения безопасности ледового плавания. Основны­ми факторами, влияющими на динамику льда, являются: ветер, течения и приливо-отливные явления.

Ветровой дрейф льда

Лёд дрейфует в направлении действия ветра, отклоняясь от этого направления под действием силы Кориолиса в Северном полушарии вправо, а в Южном – влево на 30 – 40 0 .

Скорость ветрового дрейфа льда составляет 4% от скорости вет­ра.

Пример: При скорости ветра в 50 узлов скорость ветрового дрейфа льда составит 2 узла (рис. 3).

При длительном действии устойчивого ветра суточный дрейф льда составит величину, равную скорости ветра.

Пример: При устойчивом действии северного ветра, скорость которого 25 узлов, суточный дрейф льда составит 25 миль в направле­нии 210 – 220 0 .

Рис. 3 Дрейф льда

Стремительный дрейф льда различной формы и возраста под дли­тельным воздействием штормового ветра вдоль береговых препятствий называется ледовой рекой. Целесообразно избегать встречи с этим яв­лением. Судно, находящееся вблизи берега, при угрозе возникновения ледовой реки, должно постараться заблаговременно уйти вглубь ледя­ного массива в целях предотвращения захвата судна льдом и, как след­ствие, неконтролируемого сноса. В случае возникновения ледовой реки техническая мощь любого судна бессильна перед природой.

Влияние поверхностных течений и приливо-отливных явлений на дрейф льда

Величина дрейфа льда равна скорости и направлению действую­щего поверхностного течения или приливо-отливного явления. В райо­нах, где в значительной степени проявляется воздействие течений, ино­гда наблюдается дрейф льда, направленный против ветра.

Совокупность перечисленных факторов (ветер, течение, приливо­отливные явления) вызывают достаточно быстрое распространение ле­дяного покрова. В зимний период, при преобладающем северном ветре, дрейф льда происходит в меридиональном направлении.

В связи с наблюдающимся глобальным потеплением, и, как след­ствие, замедлением распространения морского льда, границы возмож­ного ледового плавания в последние годы значительно расширены.

Источник