Сопротивление снега
На рис. 19 дана схема сил, действующих на лыжу при ее движении. Здесь GА — нагрузка на лыжу от веса аэросаней, приложенная к оси подвеса лыжи; GЛ — собственный вес лыжи; P1 — равнодействующая сила сопротивления снега его деформации под носком лыжи; P2 — сила трения носка лыжи о снег; P3 — равнодействующая сила сопротивления деформации снега под подошвой лыжи; P4 — сила трения подошв лыжи о снег.
Силы сопротивления P1, P2, P3 и P4 зависят от структуры снега, температуры воздуха, времени последнего снегопада и многих других условий, которые можно определить только путем экспериментов. Поэтому приводим ряд конкретных примеров и даем практические советы, как можно снизить каждое из сопротивлений.
Рис. 19. Схема сил, действующих на лыжу при движении по снежной целине
Сопротивление P1 представляет собой силу, которая зависит от плотности снега, степени погружения лыжи Н и угла наклона, под которым носок лыжи уплотняет снежную поверхность.
Плотность снега зависит от времени и метеорологических условий и может быть охарактеризована величиной средних удельных давлений, допустимых для данной структуры снега.
На основании ряда опытов А. С. Кузин рекомендует, чтобы нагрузка на задние лыжи не превышала 450—500 кг на 1 м 2 площади лыж, а на переднюю управляемую лыжу—500—560 кг/м 2 . Эта рекомендация относится к аэросаням, выполненным по трехлыжной схеме.
Увеличенная нагрузка на переднюю управляемую лыжу в этом случае значительно улучшает управляемость аэросаней. При четырехлыжной схеме, где управление значительно более стабильно, желательно, чтобы нагрузка на передние лыжи была равна или несколько меньшей, чем на задние.
Указанные нагрузки в значительной мере предопределяют и степень погружения лыж. Но степень погружения зависит от скорости движения.
А. А. Крживицкий * приводит следующую зависимость:
| Скорость движения, м/сек | Глубина вдавливания в снег, мм |
| 0,12 | 60 |
| 0,50 | 50 |
| 1,5 | 50 |
| 2,0 | 46 |
| 3 | 35 |
| 6 | 30 |
| 8 | 30 |
| 16 | 20 |
| 23 | 10 |
| 40 | 5 |
Из этих данных видно, что с увеличением скорости движения аэросаней уменьшается проваливание лыж в снег и снижается общее сопротивление. Это происходит потому, что силы внутреннего трения снега сопротивляются его уплотнению и не дают возможности распространиться нагрузке, действующей на него в течение короткого промежутка времени, на всю глубину слоя снега.
Практикой подтверждается еще один вывод: необходимо, чтобы уплотнение снега происходило плавно. В этом отношении форма изгиба переднего конца лыжи (носка) имеет очень большое значение. Установлено, что наиболее выгоден изгиб носка лыжи, сделанный радиусом, равным 1 м.
Кроме того, как показали опыты В. П. Ветчинкина над лыжами аэросаней, для уменьшения коэффициента сопротивления желательно нагружать больше задние, чем передние лыжи, а в каждой лыже нагружать больше задние концы, чем передние. Было установлено, что неправильное распределение нагрузки может увеличить потребную силу тяги до 30% от наименьшего значения.
Практически место приложения тягового усилия Т (ось подвески лыжи) следует располагать таким образом, Чтобы центр давления, т. е. точка пересечения равнодействующей А сил веса саней G и тягового усилия Т, приходящихся на одну лыжу, с поверхностью дороги, находился на 30—50 мм за центром рабочей площади F лыжи (рис. 20).
Рис. 20. Центр давления должен располагаться от центра площади F лыжи на 30—50 мм ближе к заднему ее концу
Такое расположение центра давления обеспечивает общий уклон в 1—2° всей подошвы лыжи по отношению к прокладываемому ею следу, благодаря чему снег более медленно уплотняется под подошвой, что снижает силу P3 и величину общего сопротивления.
Силы сопротивления P2 и P4 зависят от ряда факторов и, в частности, от коэффициента трения подошв лыж о снежную поверхность. А. С. Кузин провел ряд испытаний и рекомендует следующие средние значения коэффициентов трения для лыж со стальной гладкой подошвой при температуре —4° С и ниже.
| Тип и состояние дороги | Коэффициент трения |
| Лед и обледенелая дорога | 0,008—0,010 |
| Укатанная снежная дорога | 0,012—0,018 |
| Снежная дорога, слегка рыхлая | 0,02 — 0,025 |
| Рыхлая снежная дорога | 0,025—0,05 |
| Рыхлая снежная целина | 0,03-0,08 |
| Снежная целина (свежевыпавший снег) | 0,1 —0,15 |
| Крупитчатый снег (при —2°) | 0,15 |
| Снежная целина в оттепель (при +4°) | 0,2 |
| Снежная дорога, сильно загрязненная | 0,2 —0,3 |
Кроме того, на основании ряда опытов А. А. Крживицкий делает вывод о том, что величина сопротивления движению в значительной мере зависит от удельного давления, причем при всех равных условиях уменьшение удельного давления до определенного предела влечет за собой уменьшение сопротивления движению.
Основным фактором снижения величины сопротивления от прения лыж о снежную поверхность следует считать правильное распределение нагрузки на ходовую площадь и подбор соответствующего материала подошв лыж, имеющего наименьший коэффициент сопротивления трения.
На основании многочисленных экспериментов, проведенных в различных научных учреждениях, были получены сравнительные данные по сопротивлению движения по снегу подошв лыж, сделанных из арктилита (рис. 21), лира, холодно- и горячекатаной стали, нержавеющей стали, латуни, дюралюминия и других материалов.
Рис. 21. Зависимость сопротивления движению по снегу подошв лыж от температуры и материала подошв лыж при нагрузке 400 кг/м: 1 — ясень; 2 — нержавеющая сталь; 3 — арктилит
Наименьшим коэффициентом трения обладают некоторые виды пластмасс, арктилит и лак ВИАМ Б-3. Однако изношенная подошва, выполненная из этих материалов, имеет резко увеличенный коэффициент трения. В то же время эти материалы обладают малой износостойкостью, поэтому не могут быть рекомендованы для широкого применения на лыжах аэросаней.
Для спортивных аэросаней, имеющих значительно меньший срок службы, подошвы лыж из указанных материалов делать целесообразно.
Наилучшим материалом из всех испытанных (не считая некоторых пластмасс) следует признать нержавеющую сталь, хорошо работающую на износ и имеющую наименьший коэффициент трения.
* См. книгу А. А, Крживицкого «Автотранспорт для снежного пути». Машгиз, 1936.
Источник
Коэффициенты трения снега по снегу
СНЕГ И ЕГО СВОЙСТВА
Вам, конечно, известно, что лыжники в зависимости от состояния снега и температуры наружного воздуха применяют для смазки лыж различные мази. На дворе оттепель — одна мазь, мороз — другая. Намазал не той мазью, и лыжа не скользит, к ней прилипает снег, тормозит движение.
Для лыж справедлива пословица: «Не подмажешь, не поедешь». А на севере подошвы лыж обтягивают оленьей шкурой. Шкура и без мази хорошо скользит по любому снегу, только надо прибивать ее ворсом по ходу движения. На таких лыжах и в гору можно подниматься без палок. При обратном скольжении ворс топорщится, врезается в снег и тормозит лыжу.
Ученые провели много наблюдений за снегом и установили, что он не везде одинаков. Его свойства изменяются в очень больших пределах в зависимости от температуры воздуха, ветра и многих других причин.
Кроме того, было установлено, что в разных районах страны снег также различен. В Архангельске он более тяжелый, влажный и липкий, в Якутске рассыпчатый, мелкий, как мука, и сухой, а на севере есть такой снег, который пилят пилой и по нему, как по асфальту, могут двигаться не проваливаясь автомобили.
Изменяются свойства снега и с течением времени, причем он различен не только в начале и конце зимы, но иногда даже и в течение одного дня он несколько раз меняет свою структуру.
Лыжи аэросаней постоянно соприкасаются со снегом. Он-то и создает сопротивление, на преодоление которого затрачивается тяговое усилие, развиваемое установленным на аэросанях воздушным винтом. Это сопротивление в основном возникает от трения подошв лыж о снег и от уплотнения снега при прокладывании следа.
Величина сопротивления трения зависит от коэффициента трения, который изменяется в зависимости от состояния снега (дороги) и от материала, из которого сделана ходовая подошва. Величины коэффициента трения для подошвы лыжи, изготовленной из обычной, углеродистой стали, приведены в таблице 1.
КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ПОДОШВЫ ЛЫЖ о СНЕГ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ МИНУС 4°С
Тип и состояние дороги
Коэффициент трения
Лед и обледенелая дорога
0,008—0,010
Укатанная снежная дорога
0,012—0,180
Снежная дорога слегка рыхлая
0,020—0,025
Рыхлая снежная дорога
0,025—0,050
Рыхлая снежная целина
Снежная целина (свежевыпавшая)
Крупитчатый снег (при — 2°С)
Снежная целина в оттепель (при — f 4°С)
Снежная дорога сильно загрязненная
Изменение температуры воздуха оказывает значительное влияние на изменение величины коэффициента трения. С понижением температуры он увеличивается, В Якутии при температурах воздуха минус 55—60° снег по своей структуре похож на порошок, а коэффициент трения настолько велик, что не только лыжи по снегу, но даже и коньки по льду не скользят.
Изменение коэффициента трения при понижении температуры для целинного снега различной структуры приведено в таблице 2.
ИЗМЕНЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
Структура снега
Коэффициент
при темпера]уре °С
Пушистый
Метелевый
Зернистый
Из данных таблицы видно, что понижение температуры от нуля до минус 40° увеличивает коэффициент трения почти в три раза.
Приведенные в таблицах 1 и 2 величины необходимо знать, чтобы не удивляться, если вдруг, в каких-то особых условиях, лыжи аэросаней перестанут скользить.
На изменение величин, приведеных в таблицах 1 и 2, строители аэросаней повлиять не могут, но, подобрав на подошвы лыж материал с наименьшим коэффициентом трения, они могут значительно снизить общее сопротивление движению аэросаней.
Снег имеет и еще одну особенность, связанную с коэффициентом трения, которая доставляет много неприятностей и лыжникам и аэросанщикам. Это налипание и намерзание снега на подошвы лыж.
В теплую погоду (плюс 3 — минус 10°) обычно бывает так.
Бежит лыжник — лыжи скользят хорошо. Остановился. Постоял 2—3 минуты. Хочет стронуться — а лыжи прилипли.
Такое же явление наблюдается и на аэросанях. Различный снег по-разному налипает на лыжи. В одном случае достаточно резкого толчка или удара по лыже, и снег отваливается от подошвы, в другом — его и ножом не соскоблишь.
В журнале «Метеорология и гидрология» № 4 за 1940 год была опубликована интересная сравнительная таблица коэффициентов трения при страгивании с места и при движении (скольжении).
Из таблицы видно, что коэффициент трения при страгивании значительно больше, чем при скольжении. Установлено, что усилие, необходимое для страгивания, в четыре-пять раз превышает развиваемую двигателем аэросаней тягу.
С прилипанием лыж, как мы уже сказали, можно бороться. Кроме резкого удара, нарушающего сцепление лыжи со снегом, можно применять на подошвах лыж непримерзающие материалы — фторопласт-4, полиэтилен низкого давления и др.
Каждый из вас знает, конечно, что при ходьбе на лыжах глубина следа, оставляемая ими, бывает разная. Она зависит от состояния снега. На подмороженном после оттепели снегу лыжи совсем не проваливаются. А по пушистому снегу, несмотря на то что площадь лыж достаточно большая, приходится двигаться по колено в снегу.
Следовательно, различный снег имеет и различную несущую способность, называемую плотностью снега. Практика показала, что для аэросаней надо брать лыжи такой площади, чтобы удельное давление на 1 м2 было в пределах 500—600 кг. При этом лыжи будут проваливаться на 100—300 мм, что вполне приемлемо и даже необходимо для обеспечения устойчивости хода аэросаней.
При движении аэросаней по рыхлому, не уплотненному снегу на прокладывание следа и его уплотнение под подошвой лыж тратится часть тягового усилия. И, естественно, с увеличением плотности снега величина сопротивления движению лыж должна возрастать. Однако это не совсем так.
С увеличением плотности снега глубина следа будет уменьшаться и, следовательно, на прокладывание следа будет затрачиваться меньше мощности. На плотном же снегу, на укатанной дороге и на льду лыжи вообще не проваливаются, и на прокладывание следа мощность тратиться не будет.
При проведении многочисленных испытаний лыж и аэросаней было замечено, что чем быстрее движутся аэросани, тем меньше глубина следа и меньше общее сопротивление снега движению аэросаней. С увеличением скорости лыжи как бы всплывают и движутся по поверхности снега. Давление, которое действует на поверхность снега, не распространяется сразу на всю толщину его слоя. Уплотнение снега под нагрузкой происходит постепенно, требуя какого-то времени на его деформацию.
А. А. Крживицкий в своей книге «Автотранспорт снежного пути» приводит следующую таблицу результатов вдавливания в снег площадки, движущейся с различной скоростью.
ЗАВИСИМОСТЬ ГЛУБИНЫ ВДАВЛИВАНИЯ СНЕГА ОТ СКОРОСТИ
Источник
Коэффициенты трения снега по снегу
1. Общие сведения
Снег является наиболее распространенным видом твердых атмосферных осадков. Снежинки, составляющие падающий снег и образующие снежный покров, являются плоскими кристаллами льда весьма разнообразной формы, в основном гексагональной, шестигранной и шестилучевой. Размеры отдельных, свободно падающих в воздухе снежинок доходят до 10 мм.
Снежным покровом называют слой снега, лежащий на поверхности земли и образовавшийся при снегопадах. Состав снежного покрова весьма разнообразен, он имеет слоистое строение, обусловленное целым рядом причин: перемежающимися снегопадами, собственной массой снежинок, возгонкой и сублимацией снежных крист, воздействием атмосферных факторов (солнечной радиации, ветра, других атмосферных осадков и пр.).
Таким образом, снежный покров не является алловстабильным; его мощность и все физико-механические свойства непрерывно изменяются. Сухой снежный покров представляет собой двухфазную, а мокрый — трехфазную систему, состоящую из кристаллов льда, воды и воздуха, содержащего водяной пар.
2. Плотность и водные свойства снега.
Все характеристики снега зависят от его плотности, но вместе с тем плотность снега в высшей степени изменчива, от 10 до 700 кг/м 3 . Обычно рассматривают: плотность различных видов снега, плотность снега на открытой местности, плотность снега в лесу, плотность снега в снежниках, плотность тающего снега.
Расчетные формулы для определения плотности снега построены на обобщении эмпирических данных. Одной из первых удачных формул, полученных в начале нашего столетия, является формула Абэ
где a = 185,4; b = 0,545; z — глубина от поверхности снега, м.
Для практического пользования формулу (2.41) удобнее записать в следующем виде:
lg ρ = lg 185,4 + 0,545 z .
Формула для расчета плотности снега в зависимости от его пористости и влажности
где k — степень наполнения пор снега водой, изменяющаяся от 0 до 1; п — пористость снега; ρв и ρл — соответственно плотность воды и льда.
Плотность снега весьма неоднородна по высоте снежного покрова и зависит от продолжительности и глубины его залегания. Поэтому плотность снежного покрова является величиной осредненной.
По В.Д.Комарову средняя плотность снежного покрова в Европейской части России в конце зимы на севере находится в пределах 220 — 280 кг/м 3 ; в средней полосе — в пределах 240 — 320 кг/м 3 ; на юге — в более широких пределах, 220 — 360 кг/м 3 , что объясняется наличием перемежающихся оттепелей.
Наличие влаги (воды, водяного пара) существенно увеличивает плотность снега. Плотность тающего снега имеет большое значение для прогноза половодья на реках. Наблюдения показывают, что в большинстве случаев она изменяется в начале таяния от 180 до 350 кг/м 3 , в разгар таяния от 350 до 450 кг/м 3 , в конце таяния доходит до 600 кг/м 3 .
Плотность снега в лесу меньше, чем на открытой местности, что объясняется уменьшением ветра в лесу и меньшей интенсивностью зимних оттепелей.
Плотность снега в снежниках изучалась В.Л.Шульцем в горах Средней Азии, где в период снеготаяния она достигает 750 кг/м 3 .
Пористость снежного покрова обусловлена наличием большого количества промежутков между кристаллами льда, образующих сообщающиеся между собой поры и пронизывающих снежный покров во всех направлениях. О размерах пор в снежном покрове надежных сведений нет. Пористость выражают в процентах и вычисляют по формуле
где ρ и ρ л — соответственно плотность снега и кристаллического льда.
Пористость снежного покрова связана с его структурой и изменяется по мере его уплотнения от 98 до 20 %. К началу снеготаяния (обычно при плотности 280 — 300 кг/м 3 ) она составляет 73—67 %.
Воздухопроницаемость снежного покрова объясняется наличием в нем сквозных пор и характеризуется коэффициентом воздухопроводности. При отсутствии жидкой фазы снежный покров будет воздухопроницаемым, если размеры пор или капилляров будут достаточными для свободного перемещения молекул воздуха. Следовательно, коэффициент воздухопроницаемости существенно зависит от структуры снежного покрова; он уменьшается по мере его уплотнения.
Водопроницаемость снежного покрова для гравитационной воды, поступающей от дождя или от таяния верхнего слоя снега, зависит от количества, размеров и формы пор в снежном покрове, от наличия ледяных прослоек и пр., т. е. от структуры снежного покрова.
Движение гравитационной воды в снежном покрове ламинарное и, вероятно, подчиняется закону Дарси. Следовательно, характеристикой водопроницаемости является коэффициент фильтрации. Коэффициент фильтрации в снежном покрове, по-видимому, различен по горизонтали и по вертикали. Полученные опытным путем значения коэффициента фильтрации снега, (1. 6)·10 -3 м/с, являются ориентировочными.
Водоудерживающая способность снежного покрова характеризуется тем наибольшим количеством воды, которое он способен удержать в данном его состоянии. Эта характеристика имеет большое значение для расчета половодий. Она изучалась П.П.Кузьминым опытным путем на специально разработанных приборах с использованием весового и калориметрического способов.
В результате исследований было установлено, что водоудерживающая способность снежного покрова зависит от его структуры и плотности: меньшей плотности соответствует большая водоудерживающая способность.
Влажность снега — количество воды, которое снежный покров содержит в данный момент. Она является очень важной его физической характеристикой и определяется калориметрическим способом.
3. Тепловые свойства снега. Определение тепловых характеристик снега и прежде всего коэффициентов тепло- и температуропроводности (λ и a ), удельной теплоемкости ( c ) представляет очень большие трудности. Вместе с тем эти характеристики играют исключительную роль в природе. Сложность определения тепловых характеристик обусловлена сложностью строения снежного покрова. Тепловые характеристики снега определяются или в лабораториях, или в полевых условиях.
Одно из первых определений тепловых характеристик снега, не потерявших значения до настоящего времени, было выполнено Г.П.Абельсом в 1893 г. в Свердловске. Абельс определил коэффициенты тепло- и температуропроводности снега на площадке обсерватории по ежечасным наблюдениям за температурой снега, выполненным на глубинах 5 и 10 см. При этом он считал, что суточный ход температуры на поверхности снега выражается простой синусоидой. Полученные зависимости для λ и a имеют вид:
λ = 2,85 · 10 -6 ρ 2 ; а = 4,85 · 10 -6 ρ, (2.46)
где ρ — плотность снега.
Формулы Абельса дают удовлетворительные результаты при ρ 3 . Для случая когда ρ > 350 кг/м 3 , эти коэффициенты были определены А.С.Кондратьевой в лабораторных условиях:
λ = 3,56 · 10 -6 ρ 2 ; а = 6,05 · 10 -6 ρ. (2.47)
Удельная теплоемкость сухого снега принимается равной удельной теплоемкости льда и определяется по формуле (2.39).
Коэффициент отражения солнечной радиации снегом значительно выше, чем у льда и, тем более, у воды.
Коэффициент поглощения солнечной радиации снегом также высокий; поглощается она самым верхним слоем снега и поэтому не доходит до его подстилающей поверхности.
4. Электрические, радиоактивные и акустические свойства снега в последнее время приобретают все большее значение, но они пока изучены недостаточно.
Сухой снег, прежде всего, характеризуется малой электрической проводимостью, что позволяет располагать на его поверхности даже не изолированные провода. Выполненные исследования для сухого снега плотностью порядка 100 — 500 кг/м 3 при температуре от -2 до -16 °С показали, что удельное электрическое сопротивление ρэ довольно высокое (2,8·10 5 — 2,6·10 7 Ом · м) и близко к удельному сопротивлению сухого льда. Напротив, влажный снег обладает малым электрическим сопротивлением, падающим до 10 Ом·м.
Сухой снежный покров является диэлектриком. Диэлектрическая проницаемость снежного покрова ε зависит от частоты электромагнитных волн, их длины и от состояния снега (температуры, плотности, структуры, влажности). Диэлектрическая проницаемость снега значительно меньше, чем льда (εол = 73. 95, ε∞л =3. 8), и увеличивается с возрастанием его плотности и влажности.
Акустические свойства снега проявляются, например, в скрипе под лыжами, полозьями саней, под ногами пешеходов и в других случаях. Скрип снега зависит от его плотности, давления на него и от его температуры. Замечено, что скрип слышен при температуре от -2 до -20°С; ниже этой температуры скрип не слышен. Связь скрипа с температурой можно объяснить тем, что с понижением температуры увеличивается прочность снежных кристаллов и поэтому излом их под давлением сопровождается звуком. При температуре ниже -20°С снежинки достаточно прочны и очень мало ломаются под давлением.
Скорость звука в снеге измерялась различными способами. Установлено, что она зависит от плотности снега. Например, при ρ=125 кг/м 3 получена скорость υ=227 м/с, а при ρ=280 кг/м 3 υ=207 м/с. Таким образом, скорость распространения звука в снеге при одной и той же структуре обратно пропорциональна плотности снега. Замечена также незначительная связь скорости распространения звука от температуры снега. При t = 0°С и t = -23°С скорость распространения звука соответственно составляет 247 и 230 м/с. При одинаковой плотности коэффициент отражения увеличивается с увеличением частоты.
5. Механические свойства снега имеют большое значение при использовании его в качестве строительного материала, при транспортировке по нему грузов, а также при изучении снежных лавин.
Предельное сопротивление снега сдвигу определяется силами сцепления между его зернами и силами внутреннего трения, которые, в свою очередь, зависят от плотности, строения и температуры снега, а также от условий его нагружения и деформирования. Оно определяется по формуле
где C — сила сцепления; f — коэффициент внутреннего трения; P — сила нормального давления на поверхности среза.
Сила сцепления снега определяется в природных условиях по усилию, которое необходимо приложить к образцу для среза его по горизонтальной плоскости. Исследования показали сравнительно незначительное увеличение силы сцепления свежего снега до (0,01. 0,02)·10 5 Па в зависимости от его плотности. При дальнейшем увеличении плотности от 300 до 500 кг/м 3 сила сцепления возрастает более значительно и находится в пределах (0,05. 0,5)·10 5 Па.
Трение скольжения по снегу характеризуется коэффициентом кинетического трения f к . Он определяется при движении тела и значительно меньше коэффициента трения покоя f . Этот коэффициент зависит от температуры, структуры и плотности снега, размеров скользящего тела и передаваемой на снег нагрузки, скорости скольжения, а также от вида материала и характера обработки скользящей поверхности.
Установлено, что зависимость трения скольжения по снегу различных тел от температуры снега неоднозначна. Наилучшие условия для движения лыж и саней наблюдаются при температуре от -3 до -10°С. С увеличением плотности снега и скорости движения коэффициент трения скольжения уменьшается. Для деревянных полозьев он порядка 0,02 (по П.П.Кузьмину), стальных — 0,07 (по К.Ф.Войтковскому), тефлоновых — 0,05. При температуре снега, близкой к 0°С, наблюдается другое явление — его прилипание к полозьям приспособлений.
Сопротивление снега растяжению исследовалось по разрыву образца от собственного веса путем пропиливания заранее намеченной шейки. Свежевыпавший снег оказывает небольшое, практически равное нулю сопротивление разрыву, а в уплотнившемся снеге сопротивление разрыву возрастает с увеличением плотности и достигает значения 0,027·10 5 Па. Сопротивление разрыву влажного снега меньше, чем сухого. В целом сопротивление снега разрыву зависит от его температуры, плотности и структуры.
Сжатие снега под действием нагрузки является одной из его характеристик. В опытах установлено, что слежавшийся сухой снег разрушается при нагрузке около 1,5·10 5 Па. Прочность снега значительно увеличивается после добавления воды и замерзания ее. После замерзания добавленной воды в количестве 10% (по массе) разрушающая нагрузка увеличилась до 3,2·10 5 Па. Предел прочности на сжатие слежавшегося уплотненного снега при t = -10°С составлял (5. 8)·10 5 Па. Обледенелый снег выдерживает значительно большие нагрузки (10. 15)·10 5 Па. Несомненно, что прочность снега на сжатие зависит от его плотности, но надежных данных по этому вопросу нет.
Твердость — это свойство вещества сопротивляться внедрению в него другого тела, теоретически не деформируемого. Она характеризует прочность снега и, в частности, несущую способность снежного покрова. Мерой твердости является размер следа (царапина, углубление), оставляемого на исследуемом материале абсолютно (условно) твердым телом, внедряемым под определенной нагрузкой.
По техническим условиям, в зимних снеговых дорогах плотность и твердость снега, как минимум, должны быть равны 600 кг/м 3 и 10 6 Па.
Вязкость снега играет большую роль в процессах формирования снежных обвалов. Свежий снег обладает большей пластичностью и меньшей вязкостью по сравнению с плотным снегом и тем более с льдом. Укрупнение зерен снега — фирнизация — ведет к уменьшению его пластических свойств.
По данным Иосида и Хузиока (Япония), вязкость снега, как функция плотности снега, при температуре от -1 до -3°С и от -5 до -13°С соответственно может быть определена по эмпирическим формулам:
η1 = 9,81 · 10 7 /(0,10 – 0,19ρ) и η2 = 9,81 · 10 7 /(0,037 – 0,09ρ) (2.49)
По данным этих же исследователей, модуль упругости снега E (Па) в тех же диапазонах температуры может быть определен соответственно по формулам:
E 1 = (0,0167ρ – 1,86) 10 6 и E 2 = (0,059ρ – 10,8) 10 6 (2.48)
2.5. Физико-механические процессы, протекающие
Снежный покров в течение всего периода своего существования подвергается воздействию различных физических и механических факторов, приводящих к непрерывному изменению его структуры, состава и объема. Эти факторы и оказываемые ими воздействия еще далеко недостаточно изучены.
К физическим факторам и процессам можно отнести режеляцию, рекристаллизацию, возгонку и сублимацию, гелио- и геотепловые воздействия. К механическим факторам относятся сила тяжести и ветер.
Режеляция (повторное смерзание) заключается в плавлении и повторном смерзании ледяных кристаллов, образующих снежинки, под влиянием удельного давления. Режеляция снега протекает с заметной интенсивностью лишь при температуре, близкой к 0°С, т. е. при температуре, при которой не требуется большого удельного давления, чтобы вызвать плавление льда.
Рекристаллизация представляет собой физический процесс, при котором атомы молекул перескакивают с кристаллической решетки одного кристалла на решетку другого кристалла и обусловливают срастание отдельных кристаллов (снежинок).
В твердых телах существует некоторое количество атомов и молекул, кинетическая энергия которых достаточна для перехода в газообразное состояние. Процесс перехода вещества из твердой фазы в газообразную, минуя жидкую, называют возгонкой, а процесс кристаллизации вещества из пара — сублимацией. С признаком возгонки какого-либо твердого тела мы встречаемся при ощущении его запаха в окружающем воздухе.
Так как в снежном покрове имеется большое количество межкристаллических пор с поверхностями кристаллов очень малого радиуса и разных направлений кривизны, то в его толще распределение парциального давления водяного пара будет очень неравномерно. Водяной пар, образовавшийся на острых ребрах кристалликов, будет стекать во впадины и, насыщая здесь воздух, перейдет в воду и замерзнет. Вследствие этого возникает процесс округления кристалликов льда и увеличения их объема, т. е. происходит так называемая фирнизация снега. Процесс этот наблюдается при изотермии и активизируется при наличии температурной стратификации. В снежном покрове имеет место значительный температурный перепад, так как его поверхность охлаждается намного ниже нуля по сравнению с приземным слоем. В связи с этим создается дополнительная разность парциального давления водяного пара в снежном покрове с градиентом, направленным снизу вверх, что еще более усиливает миграцию водяного пара и фирнизацию снега.
Повторное таяние кристаллов льда и замерзание воды также способствуют фирнизации снега. Таяние кристаллов начинается с их выступающих частей — углов, лучей, ребер. Поэтому частично оттаявший кристалл приобретает округлую форму в виде зерна. При повторном таянии кристаллические зерна увеличиваются в размерах за счет попадания на них капелек воды с соседних кристалликов и т. д. При этом в снежном покрове увеличиваются поры и на их стенках осаждается иней, обусловленный сублимацией. Процесс ускоряется за счет гравитационной воды, проникающей сверху в результате таяния самого верхнего слоя снежного покрова.
Источник
