flag russia
Войдите через свой аккаунт в соц.сети:
Или введите логин и пароль:
logo
ВОСХОЖДЕНИЕ НА ЭЛЬБРУС 2017

Телефон в Москве:

+7 495 108-74-65

Бесплатно по России:

Мы в соцсетях:

Занимательная физика: мир под названием «лёд»

Каждый из нас относится ко льду как к чему-то совершенно обычному. А задумывался ли кто из вас, какие тайны таит в себе мир под названием «лед»? Из курса школьной физики мы знаем, что лед — это вода в твердом состоянии. Но как устроена структура льда известно не всем. При каких обстоятельствах лед деформируется и разрушается известно тоже не каждому. Вопросы физики льда будут интересны тем, кто неравнодушен к миру льда и в частности к ледолазанию.

Занимательная физика: мир под названием «лёд»

Лед - достаточно таинственный материал, хотя само ледолазание таит не меньше тайн. Данный вид спорта считается потенциально опасным, и это не удивительно, потому что те инструменты, которыми пользуется ледолаз, травмоопасны из-за своих острых металлических наконечников (например, кошки, ледорубы, пестики), и они могут повредить тканевую экипировку ледолаза (рюкзак или трос) и, естественно, человеческую кожу. Еще одна особенность, касающаяся ледовых трасс. Дело в том, что идеальное время для формирования трасс - это зима. В другое время года они неизбежно деформируются и разрушаются. Вот такая непродолжительная «жизнь» у льда. Причем, если вы покоряете вершины не в зимнее время, то стоит помнить, что такие походы без лишнего преувеличения оказываются смертельно опасными. И, наконец, парадокс ледовой трассы состоит в том, что лед может быть идеальной и безопасной основой для восхождения на вершины. И в то же время, не зная всех свойств и «капризов» льда, невозможно предположить, насколько трасса надежна и безопасна.

Замерзание трассы.

Занимательная физика: мир под названием «лёд»

Мало кто знает, что без специальной «основы» для льда его образование при нулевой температуре будет невозможным. Мы привыкли к тому, что лед образуется практически всегда и везде. Этот механизм сравним с посевом семян. Без здорового семечка не будет и ростка, и самого растения. Таким же образом, можно сказать, из ледового «семечка» происходит замерзание воды и формирование трасс. Эта самая «основа» выделяет энергию, заставляющую молекулы воды двигаться сильнее и цепляться своими кристаллическими решетками. Как правило, в природе почти всегда есть эта самая «основа», которая представлена самими кристаллами льда. А если нет «основы», спросите вы? Что же получается, вода не замерзнет? Нет! Вода обязательно замерзнет, так как это совершенно нормальное ее состояние при отрицательной температуре. Просто для ее замерзания потребуется более низкая температура. При этом начинается самопроизвольное зарождение «центров» кристаллизации, что и будет «основой» для льда. Причем, чем быстрее происходит понижение температуры, тем быстрее начнут образовываться кристаллы льда и тем больше их будет. Скопление таких кристаллов льда в воде называется «шугой». Кстати, снежинки, падающие в воду, могут образовывать шугу. Сама шуга в не стоячих водоемах может скапливаться в определенных местах и тем самым образовывать зажоры, или «баррикады», которые препятствуют нормальному току воды и служат хорошей основой для образования ледовой корки. Сгустки шуги неравномерно

Занимательная физика: мир под названием «лёд»

сцепляются между собой, поэтому ледовая пленка получается в виде «стиральной доски». Вспоминаете, какая ребристая поверхность у сосулек?! Шуга может прилипать к разным поверхностям, будь то горная порода, почва или растения. В результате образуется донный лед. Довольно часто, когда поверхность отвесная, донный лед — это единственная основа для формирования трассы. Такой лед представляет из себя совокупность случайно расположенных кристаллов льда. При понижении температуры и усилении ветра ледовая трасса будет интенсивно разрастаться. Ледяные «колонны» и вертикальные полотна состоят из скопления сосулек. То, что сосульки — это скопление множества кристаллов, не требует доказательства. Интерес представляет тот факт, что сами кристаллы располагаются в сосульке перпендикулярно длине самой сосульки. Поэтому они скорее обламываются поперек, нежели дают трещину по всей длине. Растут сосульки в длину за счет замерзания на ее кончике воды, которая просачивается из тончайшего канальчика в сосульке, представляющего собой полость, заполненную водой. В толщину она растет за счет замораживания на ее поверхности тонкой водяной пленки. Прочность сосульки достигается за счет ее внутреннего замерзания. Интересно отметить, что в длину сосулька растет раз в 8-30 быстрее, чем в толщину. Все зависит от температуры и присутствия воды. Например, темп роста сосульки в длину замедляется, если поток воды слишком большой, а вот темп роста в ширину остается примерно прежним, потому что толщина пленки воды на поверхности сосульки практически не меняется. Падение температуры и усиление ветра способствует росту сосульки как в длину, так и в ширину.

Теперь поговорим о разновидности льда и ледяных трасс. Различают «водяной лед» и «арктический лед», это различие основано источнике льда. Таким образом, трассы из водяного льда образуются из жидкой воды, в то время как трассы из арктического льда образуются из снега. На образование льда из арктического снега влияет температура и возможное присутствие воды. Например, дождь и вода в целом только способствуют образованию льда. При дожде снежинки набухают и превращаются в лед под воздействием низкой температуры. Таким образом, идеальное время для формирования трасс из альпийского льда — это конец лета и начало осени. Но только альпийского льда!

Деформация ледяных трасс

Занимательная физика: мир под названием «лёд»

Упомянем форму кристаллов льда, что немаловажно для того, чтобы понять, как деформируется лед. В природе на Земле встречаются льдинки шестиугольной формы (всего науке известно 11 кристаллических форм льда). Вот именно модель, по которой кристаллы льда строятся, и влияет на природу деформации.

Все кристаллы шестиугольной формы прилегают друг к другу, образуя своеобразные пластины, лежащие одна на другой. Когда один из кристаллов подвергается деформации, он скорее «соскользнет» с пластины прилежащего кристалла. Таким образом, весь слой льда не будет поврежден. Причем соскользнуть эта пластина может совершенно в любом направлении. Чтобы вам был понятен этот механизм, давайте вспомним, как ведут себя игральные карты в колоде, когда мы пытаемся ее порвать. Карты скорее соскользнут с колоды, нежели колода порвется.

Науке известны пять факторов, которые приводят к деформации льда. О них мы поговорим немного позже. Сейчас мы поговорим о приложенной силе, которая влияет на деформацию. Например, малая сила (как сила тяжести льда) незначительно деформирует лед, и он будет как бы «ползти». Далее упомянем механизм процесса, когда лед «ползет»: 1) Сначала происходит легкая деформация межмолекулярных и внутримолекулярных связей. Именно из-за этого вида деформации льда и застревают во льду наконечники острых инструментов ледолаза, и извлечение их изо льда затруднено. При более низких температурах данный вид деформации маловероятен. 2) Затем кристалл видоизменяется как вдоль, так и поперек. 3) Потом происходит разрушение кристалла за счет изменения его структуры. 4) После этого кристалл все-таки начинает разрастаться за счет смещения его краев. 5) В дальнейшем происходит динамичное вторичное образование новых кристаллов посредством образования новых «центров» (о которых мы уже упоминали раньше), и как следствие, разрастание ледовой поверхности.

Даже при малой силе будет происходить деформация кристаллов льда. На каждом из этих этапов целесообразно учитывать и те факторы, которые непосредственно будут влиять на процесс деформации. Таким образом, на темп деформации влияют: температура, размер и расположение кристалла, присутствие свободной жидкости, примесей, а также плотность и приложенная сила на кристаллы льда.

Итак, поподробнее о каждом из факторов:

Температура: при температуре от нуля до -10º С  начинается легкая деформация кристаллов, особенно если присутствует вода между кристаллами. Где-то между -10º и -14ºС происходят небольшое изменение, деформация продолжается, и можно сказать, усиливается. А вот при температуре ниже -15ºС темп деформации замедляется.

Занимательная физика: мир под названием «лёд»

Размер и расположение кристаллов: сам размер кристалла не влияет на деформацию, но он играет большую роль в том случае, если идет речь о том, как быстро достигается максимальный темп этой деформации. Большие кристаллы ускоряют сползание, в отличие от маленьких. А вот расположение кристаллов очень сильно влияет на их сползание.

Лед, состоящий из хаотично расположенных кристаллов гораздо труднее повредить, чем тот, который состоит из упорядоченно расположенных кристаллов. Этим и можно объяснить тот факт, что альпийский лед менее подвержен деформации, нежели лед, образовавшийся из воды. Но, как это ни печально, любой вид льда подвержен перестройке расположения кристаллов, при котором они начинают упорядоченно строиться, следовательно, и деформации лед будет легко поддаваться.

Присутствие жидкой воды: если между кристаллами есть свободная жидкость, она может служить своеобразной смазкой для соскальзывания кристаллов друг с друга. Следовательно, темп сползания увеличивается.

Присутствие примесей: чем больше во льду всевозможных примесей, тем температура таяния льда должна быть ниже. Их присутствие ускоряет процесс деформации. Обычно лед, лишенный окраски, это лед с примесями, и он будет легко деформироваться, чего нельзя сказать о льде, находящемся в этой же местности, но не имеющим примесей. Ярким примером может послужить долина кристальных рек в центре штата Колорадо с водопадами Авокадо.

Прочность льда: здесь все просто, прочный лед, естественно, менее подвижен. Таким образом, голубой лед более прочен, чем белый. Все остальные виды льда примерно одинаковы в прочности.

Сила, приложенная для деформации: увеличение приложенной силы на лед приведет к его разжижению. Последствием этого феномена может быть следующее: ледяные колонны и вертикальные полотна начнут деформироваться и, в конечном счете, дадут трещину. Причем эти трещины будут, скорее всего, располагаться ближе к основанию, так как именно там сила достигает наибольшей величины (в этом месте лед постоянно находится как бы «под давлением»). Замороженные водопады начинают подтаивать обычно в тех местах, где они соприкасаются с горной породой или землей, и где давление достигает максимума (этому процессу еще могут способствовать ряд других факторов, таких как теплая почва или присутствие воды). Лед «ползет» при медленном и размеренном приложении силы, но он ломается при стремительном. Лед начинает ломаться незаметно, с полостей между кристаллами, так и возникают микротрещины. Эти микротрещины могут разрастаться в макротрещины, что, несомненно, приведет к откалыванию больших кусков льда.

Опять парадокс. Наличие воды и повышение температуры могут стать причиной разрушения ледяных трасс. Но в то же время эти же самые факторы помогают сделать лед более податливым и тем самым удобным для ледолазания.

Разрушение трасс

Нет сомнений в том, что всякая деформация несомненно ведет к разрушению. Например, периодические изломы ледовых колонн и вертикальных полотен у их основания (где давление достигает максимума) ведут к их деформации. Отметим, что самым деструктивным материалом является вода, так как она обладает теплоемкостью. Она может поглощать и выделять энергию, причем изменения в температуре могут не происходить. Из-за недостатка энергии многие слишком высокие водопады не замерзают совсем. Вода здесь тоже сильно влияет, не дает фонтану замерзнуть. Она также способна растопить большое количество льда. Как только вода соприкасается с поверхностью льда, проникает внутрь его или протекает между льдом и прилегающей к нему поверхности, она непременно ведет к размягчению льда.

Таяние льда также может привести к разрушению трассы, и таяние льда происходит достаточно любопытно: он тает не только на поверхности по направлению вглубь, но также таяние происходит и изнутри, между кристаллами льда. Таяние ведет к образованию и высвобождению воды, которая, в свою очередь, создает вакуум, и после чего воздух спокойно проникает между кристаллами. Белый цвет льда свидетельствует о наличии воздуха между кристаллами и о плохой сцепленности этих кристаллов, и, следовательно, о низкой прочности льда и о его хрупкости. Постепенно ледяная глыба превращается в рыхлый весенний лед, если, конечно, до этого лед не треснул. Увеличивающийся поток воды между льдом и горной породой усилит таяние льда. Таким образом, таяние льда будет интенсивнее в тех местах, где лед прилегает, или когда-то прилегал, к горной породе, то есть в местах, сокрытых от глаз ледолаза. Если слышно журчание текущей воды, то, скорее всего, лед подтаивает у своего основания, где он прилегает к горной породе или почве. Поэтому всегда стоит обращать внимание на журчащие и бурлящие звуки.

Проникновение инструментов и кошек в лед

Занимательная физика: мир под названием «лёд»

Рассмотрим механизм проникновения острых предметов в лед. Механизм проходит три стадии: сначала происходит легкая деформация льда, затем происходит соскальзывание пластин кристаллов льда, а за этим этапом следует деформация кристаллов. Деформация может усилиться, если температура будет ниже нуля, и если будет присутствовать вода. Эти знания можно использовать при использовании ледового инструмента. При низких температурах развитие микротрещин сводится к нулю. Предложим одну интересную технику. При вбивании клюва ледового инструмента в области впалого льда, сила направлена во внутрь, и это предотвращает образование трещин. Если поблизости нет впадин во льду, тогда необходимо предварительно продолбить небольшое отверстие под клюв, прежде чем помещать последний в лед, применяя большую силу.

Суммируя все, что было сказано раньше, отметим, что можно извлечь следующие полезные знания из всего сказанного.

1. При нулевой температуре (или ниже, если во льду есть примеси; а они, как правило, всегда бывают) лед имеет свойство «ползти» — особенно это случается в ледяных колоннах и вертикальных полотнах, где лед давит сам на себя. Темп этого скольжения значительно замедляется при падании температуры (начиная, примерно от -10º С до -15ºС).

2. Вода способна быстро растопить лед, причем как изнутри, так и со стороны, где он прилегает к горной породе. Так что трассу можно разрушить водой гораздо быстрее, чем под воздействием других факторов. Вода – прямой враг льда. Белесый цвет льда и (или) журчание воды говорит о том, что лед тает, или только начинает подтаивать. Белый лед, легко ломающийся при ударах или потрескивающий, в скором времени непременно подтает и рухнет. Он представляет реальную опасность.

3. Грязный лед гораздо быстрее тает, чем чистый. И он также очень легко поддается деформации. Зеленоватый или коричневатый лед тает быстрее, чем голубой.

4. Кристаллы «старого» льда сильно деформируются под собственной тяжестью с течением времени. Этим можно объяснить то, что покорять вершины лучше в начале сезона, чем к его концу. Потому что лед с течением времени трескается и нередко ломается.

В заключении. Разумеется, лед - не живой организм. Но не стоит называть его мертвой субстанцией. Он непременно одушевленный. Он находится в состоянии постоянных вибраций, движения и перемещения. Просто остановитесь однажды, задумайтесь над тем, как прекрасно и разумно все задумала природа. Просто наслаждайтесь существованием льда, на вид который совершенно обычный, но внутри которого течет жизнь, полная тайн.

Жанна  Федотова для Strahu-Net.COM

Прикрепить