Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Иногда требуется пустить воду по холодной трубе, из которой раньше воду слили (например, чтобы починить). Проходя через трубу, первая порция воды может отдать тепло стенкам трубы и охладиться до температуры замерзания. Более вероятно, что это произойдет, если труба закопана в землю, а не проложена поверху: от стенок трубы, окруженной землей, тепло отводится быстрее, чем если трубу окружает воздух. Если температура стенок трубы всего на несколько градусов ниже точки замерзания, вода может переохладиться, а затем быстро появится дендритный лед, который перекроет трубу. Однако если труба существенно холоднее (ниже допустимого значения температуры переохлаждения воды), роста дендритного льда не происходит. На стенках трубы образуется ледяное кольцо, но вода продолжает течь.

Почему, когда вы дотрагиваетесь до холодной деревянной палки или холодной металлической трубы той же температуры, труба кажется холоднее? Почему рука может прилипнуть к трубе? В фильме «Рождественская история» один из детей решается лизнуть холодную трубу. И убеждается в том, что язык к трубе примерзает. Это правило следует хорошенько запомнить: нельзя лизать холодную трубу. И вообще холодный металл.

ОТВЕТ •Ощущение холода, которое вызывает у нас тот или иной предмет, во многом определяется скоростью, с которой тепло передается от пальцев этому предмету. Металл проводит тепло гораздо лучше дерева, поэтому при одной и той же температуре металл кажется холоднее.

Палец прилипает к холодному металлу, поскольку имеющаяся на коже жидкость попадает на холодную поверхность, быстро отводящую тепло, и мгновенно замерзает. Язык влажнее пальцев, и поэтому он примерзает еще сильнее. Если полить водой пальцы, прилипшие к металлу, лед растает, пальцы или язык будут спасены.

Почему холодной зимой почва вздыбливается и образуются ухабы? Этот эффект называется пучение при замерзании . Такие ухабы не только могут повредить мостовую, но и представляют опасность для автомобилистов, двигающихся на высокой скорости. Можно предположить, что пучение — просто результат расширения воды при замерзании, но, поскольку увеличение объема в этом случае только около 10%, это как будто не может объяснить образование больших ухабов.

Почему при холодной погоде разрушаются скалы? Необходимы ли несколько последовательных циклов замерзания-таяния , чтобы скала разрушилась?

В чем причина образования пинго — конических холмов в зонах вечной мерзлоты? Некоторые пинго очень большие: их высота достигает 40 м, а диаметр — 200 м.

ОТВЕТ •Когда температура верхнего слоя почвы (или слоя почвы сразу под полотном дороги) опускается ниже точки замерзания, какая-та часть воды в порах между частицами почвы замерзает и расширяется. Так при замерзании начинают образовываться ухабы (происходит первичное пучение ). При уменьшении количества жидкости уменьшается и давление оставшейся жидкости. Жидкая вода несколько ниже верхнего слоя почвы находится под большим давлением, и поэтому она начинает подниматься вверх к замерзшему слою. Прибывающая жидкость тоже замерзает и расширяется, что приводит к вторичному пучению . Ухабы при вторичном морозном пучении значительно выше, и на состояние дорог они влияют гораздо сильнее.

Во многом разрушение дорог связано с таянием льда на них и под ними. При таянии гравий под полотном дороги насыщается водой. Когда легковая машина (или, хуже того, тяжелый грузовик) едет по дороге, ее вес существенно увеличивает давление в воде, так что она поднимается вверх непосредственно под покрытие дороги. Для того чтобы сломать мостовую, этого давления может оказаться достаточно. Идущие следом машины еще больше разбивают покрытие, образуются выбоины, постепенно становящиеся все более глубокими. Под действием веса машин на дорогах с тонким или слабым покрытием образуются канавы и ямы. При езде по такой дороге машины трясет. Каждый раз, когда автомобиль надавливает на покрытие такой дороги, он способствует образованию нового углубления. Через какое-то время дорога будет напоминать старую волнистую стиральную доску, о которую когда-то терли белье при стирке.

Для дорог мягкие зимы опаснее суровых и холодных: при теплой погоде вода успевает подняться к покрытию дороги, а сильный мороз сковывает воду, и она долгое время никуда не перемещается. Повреждения дороги более значительны не тогда, когда держится сильный мороз, а когда цикл замерзания-таяния повторяется многократно.

Вода, замерзающая в расщелине скалы, расширяется, и расщелина одновременно и удлиняется, и расширяется. Размеры расщелины увеличиваются еще больше, если при замерзании в нее продолжает поступать вода. Однако при достаточно низкой температуре приток воды в трещину затруднен, поэтому быстрее всего скала разрушается, когда температура близка к точке замерзания. В большей мере растрескиванию подвержены осадочные горные породы, и в этом случае необходимости в повторении циклов замерзания-таяния нет. Раскалывание кристаллических горных пород — процесс гораздо более сложный, требующий, чтобы температура долго держалась ниже точки замерзания и вода поступала в трещину достаточно часто или непрерывно.

Пинго бывают по меньшей мере двух типов, и есть по крайней мере два механизма их образования. Бывают так называемые гидролакколиты — отдельные холмы, образовавшиеся при промерзании на месте выхода подземного источника, на дне озерной впадины или заболоченного понижения. Под дном озера может залегать полужидкий слой, со всех сторон, кроме верхней, окруженный вечной мерзлотой. Когда из озера уходит вода, уровень вечной мерзлоты начинает подходить к поверхности дна озера. Почва промерзает с боков и снизу, вода выдавливается и собирается в центре бывшего озера. Так поднимаются вверх холмы пинго, внутри которых при замерзании воды образуется ледяное ядро.

Мерзлотные бугры на склонах обычно образуются группами в результате гидравлического напора подземных вод, поступающих со склонов речных долин и соседних гор. Не до конца понятен механизм, заставляющий воду внутри холма подниматься вверх. Поднявшаяся вода замерзает и расширяется. Если почва в основании холма пористая, вода может подниматься вверх за счет капиллярных сил, то есть поверхностного натяжения. Это означает, что молекулярные силы, обеспечивающие сцепление воды с материалом поры, могут поднять вверх жидкость через небольшие пустоты в грунте. Однако иногда мерзлотные бугры на склонах встречаются и там, где пор в грунте нет.