Структура ледяной решетки

/>Структура ледяной решетки

Структура ледяной решетки снега частях шлифа. Общая площадь шлифа, изготовленного из снега, имеющего плотность 0,3- 0,4 г/см3. По мере увеличения сжатия левый край шлифа перемещается из положения 0 в положение 1 и 2 (прямые линии в части). На фотографии можно заметить достаточное количество характерных точек — выступы или определенные углы в ледяной решетке, которые можно отличить даже в том случае, когда в целом весь шлиф изменяет свои очертания при сжатии. Перемещение   характерных   точек   показано   черточками. В начале опыта, когда левый край шлифа занимает положение, отмеченное нулевой линией, точки находятся на левой стороне отрезков, показывающих направление их перемещения; поперечные отметки на линиях движения точек показывают их место при смещении левого края шлифа до линии /. Конечное положение точек (когда левый край шлифа проходит по линии 2) показано кружками.

Оказалось, что на участках, ограниченных такими линиями, в 10 и более раз меньше, чем вдоль линий. Такое распределение показывает неоднородность строения снега; он представляет собой совокупность отдельных участков, обладающих высокой прочностью, но слабо связанных между собой. Действительно, отчетливо заметно, что наиболее крупные пустоты в шлифе расположены цепочкой вдоль извилистых линий; поэтому сами линии можно назвать «линиями малой прочности». Однако обнаружить эти линии на фотоснимках, не подвергая шлиф сжатию, чрезвычайно сложно. Протяженность наибольшего участка с повышенной прочностью в рассмотренном случае была около 1 см.

Коэффициент Пуассона прочного снега. Когда плотность снега и толщина его ледяной решетки достигают значений, показанных, при его дальнейшем сжатии деление шлифа на участки с повышенной прочностью становится все менее и менее заметным. В шлифах, изготовленных из прочного снега (с плотностью больше 0,42 г/см3) линии малой прочности не просматриваются.

При сжатии шлифа, вырезанного из такого прочного снега, точки ледяной решетки, первоначально расположенные на окружностях (внутренней и внешней), перемещаются таким образом, что окружности превращаются в эллипсы. Если бы шлиф имел строение, аналогичное тому, которое показано, т. е. состоял бы из участков с повышенной прочностью, разделенных линиями малой прочности, то в результате перемещения точек вместо эллипса складывалась бы состоящая из отдельных сегментов с промежутками между ними. Обозначим радиус окружности,   вдоль   которой  расположены точки до начала сжатия, буквой с, а большую и малую оси эллипса -буквами а и Ь.

В предыдущем разделе коэффициент Пуассона вычислялся делением горизонтальной деформации на продольную. Казалось бы, такой способ должен быть общим во всех случаях, когда-нужно определить коэффициент Пуассона снега. Однако из-за неровностей на боковой поверхности снежного столбика точно измерить небольшую горизонтальную деформацию чрезвычайно трудно. Предложенный здесь метод определения коэффициента Пуассона по деформации шлифов свободен от этого недостатка, и значения коэффициента, приведенные, по-видимому! наиболее точные.

Рассмотрение перемещения границы между двумя кристаллами льда при упругой деформации с позиций термодинамики. Как отмечалось выше, перемещение границы между двумя ледяными зернами (если оно вообще имеет место)   обычно происходит в направлении от зерна, на котором линии сдвига менее заметны, в сторону зерна с более четкими линиями сдвига. Пример такого перемещения границы приводится показывают один и тот же участок шлифа до и после сжатия (давление направлено вертикально к плоскости рисунка). В ненапряженном состоянии между двумя соседними кристаллами А и В отчетливо видна горизонтальная линия — граница, отделяющая их друг от друга. Стрелки на фотографиях показывают направления осей с кристаллов. Под действием давления граничная линия сдвинулась от своего первоначального положения в сторону кристалла В; линии сдвига, которые наблюдаются виде тонких штрихов, перпендикулярных направлению главных осей с, у кристалла В более заметны. Особенность перемещения границы между двумя кристаллами можно объяснить (хотя и недостаточно полно) с помощью термодинамической теории давления пара, возникающего при испарении льда, находящегося в упруго-напряженном состоянии.

Направление перемещения поверхности раздела между двумя ледяными цилиндрами при сжатии. Изображены два цилиндра, изготовленных из ледяных кристаллов А я В, между которыми расположена твердая пластина С. Цилиндры сжимаются вертикально, в направлении оси z, и внутри ледяных кристаллов и пластины С, так же как и на поверхностях раздела, возникает одно и то же напряжение с составляющими. Тогда согласно уравнению (2) давление насыщенного пара будет превышать нормальное давление на величину соответственно для нижней плоскости кристалла А и верхней плоскости кристалла В. У анизотропных кристаллов модуль продольной упругости обычно изменяется по величине в соответствии с направлением давления относительно их главных кристаллографических осей. В уравнениях (35) и (36) Еа и Ев представляют собой модули продольной упругости кристаллов А и В в направлении оси z, значения которых зависят от углов 6л и 8в между направлением оси г и осями с соответствующих кристаллов.

Чтобы перейти к реальной ситуации, предположим, что давление насыщенного пара у нижней плоскости кристалла А меньше, чем у верхней плоскости кристалла В. В таком случае, если допустить, что физические свойства пластины С допускают свободную диффузию пара, водяной пар будет возникать на верхней плоскости кристалла В, диффундировать через пластину С и конденсироваться на нижней плоскости кристалла А; в результате обе плоскости будут двигаться вниз с одинаковой скоростью. Поскольку толщина пластины С не влияет на течение процесса, скорость перемещения обеих плоскостей не изменится, если толщина пластины будет бесконечно малой, т. е. в том случае, если цилиндры будут стоять вплотную друг к другу, как показано. Тогда можно сделать вывод, что граница между двумя ледяными кристаллами под действием сжимающего усилия перемещается в направлении от кристалла с большим модулем продольной упругости к кристаллу с меньшим модулем, т. е. что кристалл с большим модулем продольной упругости поглощает кристалл с меньшим модулем.

Несмотря на то что все предыдущие рассуждения относились к случаю, когда граница между двумя кристаллами лежит в плоскости, перпендикулярной направлению давления, нетрудно доказать, что аналогичный вывод можно сделать при любой форме поверхности раздела, например, такой, как показано.

/> />

Читайте так же:

Комментарии запрещены.

Свежие записи