Эксперименты по искусственному уплотнению снега

Эксперименты по искусственному уплотнению снега

Три способа сжатия снега. Естественная усадка, возникающая в слоях снега, из которых состоит снежный покров, имеет вязкую природу и протекает чрезвычайно медленно; временной коэффициент изменения деформации при усадке мин. Благодаря вязкой природе снега г увеличивается пропорционально силе, вызывающей усадку, однако снег теряет свой вязкий характер, если скорость усадки увеличивается настолько, что г становится значительно больше указанных выше значений.

Эксперименты по сжатию снежных столбиков различных размеров проводились на установке, схематически изображенной. На рисунке буквой G обозначен образец снега, предназначенный для испытания на сжатие; на обращенной к нам стороне образца равномерно чернилами нанесены деления, по которым в процессе испытания можно судить о распределении деформации по длине столбика. Образец снега устанавливается на латунную подставку, связанную с устройством Z, предназначенным для измерения силы, с которой снежный столбик действует на подставку в процессе испытаний. Установка приводится в действие электромотором М; для уменьшения скорости движения поршня F служит редуктор С. Поршень F изготовлен из стали; скорость его движения (вниз) может меняться в пределах 0,02-1 мм/мин, что достигается изменением передаточного числа редуктора. Поскольку высота снежного столбика составляет 10 см (или немного больше), временной коэффициент изменения деформации усадки — высота образца] меняется в зависимости от скорости движения поршня в пределах 2-10-4-10 мин. Давление образца на подставку в процессе испытаний преобразуется измерительным устройством Z в электрический сигнал, который регистрируется или электромагнитным осциллографом.

Чтобы снег в образце был однородным по всей его высоте, снежный столбик вырезается из снежного покрова в горизонтальном направлении; если отбирать образец вертикально, то благодаря стратификации снежной толщи свойства снега на разной высоте от основания столбика будут разными.

Кривые, характеризующие силу давления образца на подставку, могут быть трех типов. Верхняя и средняя кривые, показанные, были записаны при медленном движении ленты; нижняя записана на электромагнитном осциллографе при большой скорости движения пленки. По этим кривым можно судить о характере изменений, происходящих в снежном столбике при сжатии. Будем называть усадки различных типов в том порядке, как они показаны; «пластическая усадка», «разрушительная усадка» и «разрушительная усадка второго типа» соответственно.

Пластическая усадка. Усадка этого типа происходит в тех случаях, когда скорость сжатия все время меньше, чем некоторая критическая скорость, которая зависит от типа снега и его температуры. Рассмотрим процесс сжатия образца на примере диаграммы, представленной, а. Момент начала движения поршня отмечен на диаграмме точкой А. Вначале давление быстро возрастает, но затем, когда деформация усадки становится равной примерно 1%, нарастание давления резко уменьшается, и в дальнейшем оно растет медленно с постоянной скоростью. По мере усадки столбика чернильные отметки на его боковой стороне перемещаются таким образом, что интервалы между ними уменьшаются со скоростью, приблизительно соответствующей скорости усадки; следовательно, усадка снега происходит равномерно по всей длине образца. Точка В на диаграмме показывает момент остановки поршня; давление на подставку сразу начинает быстро уменьшаться, как это видно на диаграмме. Если время, прошедшее с момента остановки поршня, обозначить через, уменьшение силы давления будет пропорционально — промежуток времени, в течение которого сила уменьшится до 1/е первоначальной величины. Продолжительность а может быть от нескольких десятков секунд до нескольких минут.

Быстрое увеличение силы давления в начальной стадии сжатия объясняется характерной особенностью снега, несколько напоминающей упругость, поскольку сила увеличивается пропорционально времени, или, иначе говоря, пропорционально деформации усадки. В следующей стадии, если сила остается постоянной, усадку можно назвать «вязкой». Однако в действительности на этой стадии происходит медленное увеличение силы давления, показывающее, что с увеличением усадки снег становится более твердым, т. е. происходит отвердевание снега. Поэтому такой тип усадки назван «пластичным» в отличие от упомянутой выше «вязкой» усадки.

Разрушительная усадка. Когда скорость сжатия превышает критическую скорость вычерчивает кривую такого типа, как показанная. В этом случае при сжатии образца происходит разрушение снега в его нижней части, причем выкрошившийся снег выдавливается из разрушенного участка. В сохранившейся неповрежденной верхней части образца усадка либо вообще не наблюдается, либо она есть, но в небольших размерах, что можно проследить по расположению чернильных отметок. Учитывая разрушение, которому подвергается нижняя часть снежного столбика, этот тип усадки и назван «разрушительным».

Однако при использовании в качестве регистратора электромагнитного осциллографа диаграмма имеет вид ряда коротких линий с хорошо заметными промежутками между ними. Эта осциллограмма аналогична изображенной. В. В действительности изменение давления происходит следующим образом: когда напряжение в снеге достигает некоторого предела R, снег в нижней части образца разрушается. При этом давление на подставку мгновенно уменьшается от R до некоторой небольшой величины; однако, поскольку поршень продолжает двигаться, давление снова начинает быстро расти, пока опять не происходит разрушение снега, и т. д. Цикличность процесса характеризуется гребенчатой формой его диаграммы.

При разрушительной усадке такого типа характер процесса за время испытания не меняется. Средняя величина силы давления остается постоянной, и уменьшение длины снежного столбика происходит только за счет разрушения его нижней части, в то время как остальная масса снега не претерпевает каких-либо заметных изменений. В этом смысле о разрушительной усадке можно сказать, что она происходит при постоянных условиях внутри массы снега, в отличие от пластической усадки, в процессе которой в образце происходят внутренние изменения, способствующие отвердеванию снега. С другой стороны, разрушительную усадку в отличие от пластической следует рассматривать как поверхностное явление, возникающее на поверхности контакта между снегом и поршнем; разрушительная усадка определяется не только свойствами снега, но и трением между снегом и железом, из которого сделан поршень. Вопрос о трении будет рассмотрен ниже.

Разрушительная усадка второго типа. По мере увеличения скорости сжатия v зубцы на диаграмме разрушительной усадки уменьшаются и, когда скорость достигает второго критического значения v, на кривой, вычерчиваемой, никаких выступов не видно. Однако запись с помощью осциллографа показывает, что некоторые флуктуации силы давления все же имеют место и в этом случае. Эти колебания силы давления возникают также за счет разрушения снега в нижней части образца, однако в данном случае снега из столбика происходит в значительно меньшей степени. Разница между двумя типами разрушительной усадки заключается в том, что если в первом случае снег выкрашивается из образца кусками, то при разрушительной усадке второго типа он отслаивается в виде тонких пластинок, чем и объясняется уменьшение величины зубцов на диаграмме силы давления. В той части образца, которая не подвергается разрушению, снег если и уплотняется, то лишь в незначительной степени. Разрушительная усадка, при которой разрушение образца происходит в виде отслаивания тонких пластинок снега, и названа «разрушительной усадкой второго типа».

Читайте так же:

Комментарии запрещены.