Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 10 )

Рис. 15. Моделирование меха­низма возникновения СРПС на примере формирования «выдува» в снежном сугробе у стенки во время метели; стрелками показано направление струй воздуха, влияющих на формирование суг­роба

1.2.7. Объяснение Т-СРПС на примере игры «вкруговую» или «в обе стенки»

Практически смоделировать механизм действия Т-СРПС можно на примере игры, в которую мы играли в детстве вместе с ребятишками и называли «вкруговую». Мы становились в круг, и один водящий оставался внутри (рис. 16а). Задача была – попасть в водящего мячом, который кидал любой игрок из круга. Мяч можно было перебрасывать от одного игрока к другому, а водящий должен был или увернуться от мяча или поймать его. Водящий старался как можно дальше отскакивать от того игрока, к которому в данный момент перекинули мяч. Поэтому он в течение игры больше всего времени находился в центре круга, так как это было самое оптимальное расстояние, с которого можно было быстрее всего отскочить от игрока с мячом.

Если несколько видоизменить игру (отталкивать водящего от игроков в круге или он сам будет отталкиваться от них), результат будет тот же самый: водящий будет чаще всего находиться в цен­тре.

Во всех этих случаях чем ближе водящий будет находиться к игрокам, тем меньше времени ему понадобится, чтобы дойти до них и оттолкнуться, и тем больше – чтобы вернуться к центру круга. Другими словами, меньше всего времени водящий нахо­дится вблизи игроков, а меньшее время пребывания означает уве­личение скорости движения от игроков к центру круга.

Следует обратить внимание, что речь идет не о скорости движения непосредственно самого водящего, т. е. бегом или ша­гом он перемещается, а о скорости его смещения в круге от пери­ферии к центру за какой-то определенный интервал времени, ко­торый можно, например, засечь секундомером. В среднем он за этот интервал быстрее всего смещается от периферии к центру круга и поэтому наиболее частым местом его пребывания явля­ется центр круга, как наиболее устойчивая позиция. Благодаря частым случайным отталкиванием водящего от игроков возникает в целом его направленное движение к центру круга.

Рис. 16. Схематическая модель разуплотнения молекул у стенки со­суда (на примере игры с мячом) а – наиболее выгодное положение водящего (черный кружок) относи­тельно игроков (белые кружки) при игре „вкруговую“; стрелкой показано направление ускоренного смещения от игроков водящего, случайно оказывающихся вблизи них; б – то же, вариант «две цепочки одинако­вой плотности»; в – вариант «две цепочки разной плотности»; г – на­правление смещения (стрелка) каждой молекулы газа или воды, слу­чайно оказывающейся вблизи стенки сосуда, что приводит к созданию разуплотненного поверхностного слоя (разреженные точки) и к сниже­нию концентрации в нем растворенных веществ

Если еще видоизменить игру (выстроить игроков в две па­раллельные цепочки), то наиболее выгодным положением водя­щего будет линия посредине между этими цепочками (см. рис. 16б). Если одна из цепочек более редкая (например, часть игроков в шахматном порядке отошла назад), то устойчивое расположение водящего также несколько смещается в эту же сто­рону, потому что туда смещается среднее расстояние между це­почками (см. рис. 16в).

Таким образом, в процессе игры водящий стремится занять наиболее устойчивое положение, причем это положение опреде­ляется соотношением расстояний от него до игроков. Он занимает позицию на среднем расстоянии между игроками, учитывая также возможность их некоторого рассредоточения с одной из сторон. Появление же водящего в другом месте, например, вблизи более плотной цепочки, создает эффект силового давления на него, за­ставляющего его перемещаться на безопасное расстояние – в ме­сто устойчивого положения.

Эти простые рассуждения приведут нас к важнейшим выво­дам, если мы применим их к движению молекул газа или воды в ее поверхностном слое, например, у стенки сосуда, где каждая моле­кула ведет себя подобно водящему в вышеотмеченной игре (см. рис. 16).

1.2.8. Сущность действия Т-СРПС газов

Все вышеприведенные модели образования разуплотненного поверхностного слоя газообразных веществ характеризуют меха­низм его образования в целом, независимо от того, есть или нет в нем примесь других растворенных в них других газов. Таким обра­зом, в образовании поверхностного слоя участвует вся масса газа. Это температурная составляющая силы разуплотнения поверхно­стного слоя веществ. Объяснение того, почему именно темпера­турная, а не осмотическая составляющая, будет дано ниже на примере жидкостей, где обе эти составляющие четко различаются своим действием в природных процессах.

Т-СРПС газов действует в момент увеличения объема сосуда, в котором заключен газ. Например, при увеличении длины тре­щины в ее узкую удлиняющуюся часть, т. е. острие, попадает газ из глубинных частей; здесь он, касаясь стенок трещины и разуп­лотняясь в объеме, создает давление на стенки. Рассмотрим, как это может проявляться в природных явлениях.

1.2.9. Результаты действия Т-СРПС газов

Снижение механической прочности твердых веществ при их деформациях в газовой среде

Французские ученые А. Клаус, Г. Эйсхен и Х. Форестье (1965) провели эксперименты по разрыву проволок из золота, серебра, платины, мели, вольфрама, железа и стеклянных нитей в химиче­ски инертных средах: вакууме, гелии, водороде, неоне, аргоне, азоте, воздухе, углекислом газе и воде. Оказалось, что все иссле­дованные твердые вещества имеют наивысшие механические ха­рактеристики в вакууме. В других средах, в том числе и газах, прочность проволок понижается, и тем сильнее, чем меньше диа­метр проволоки. Эти результаты сопоставляются с аналогичным воздействием поверхностно-активных жидкостей, хотя действие газов значительно слабее.

Экспериментаторы объясняют это влиянием физической ад­сорбции газов, способствующей разрушению твердых тел.

По моему мнению, это можно объяснить действием Т-СРПС газов. В процессе механического растяжения проволоки в появ­ляющиеся микротрещины устремляется газ из окружающей среды. В острие этих трещин он соприкасается со стенками, разуплотня­ется за счет действия Т-СРПС и, расширяясь, создает давление на них, еще более удлиняя трещины и снижая механическую проч­ность проволоки. В вакууме такого явления не происходит, и по­этому прочность материалов выше.

В жидкости это воздействие еще сильнее, так как она обла­дает большим удельным весом и, заполняя микротрещины, обла­дает более высокоинерционной массой. Поэтому, когда в новооб­разующихся участках острия трещин происходит «микровзрыв» Т-СРПС, давление силы в большей степени передается на стенки трещины и в меньшей – на выталкивание жидкости из трещины наружу. Газ же в этом случае, как более легкая субстанция, легче выталкивается наружу, и поэтому давление Т-СРПС в меньшей степени передается на стенки.

Содействие сходу снежных лавин

Известно, что для схода снежных лавин бывает достаточно взрыва орудийного снаряда над поверхностью снега, или механи­ческого сотрясения снега при скатывании лыжника, или даже про­сто громкого звука. В этот период в снежном слое появляются мик­ротрещины, в том числе и вдоль ледяных контактов спаявшихся снежных зерен и кристаллов. Это способствует возникновению Т-СРПС воздуха, который попадает в эти микротрещины и расши­ряет их, образуя новые, и так далее. Таким образом, благодаря Т-СРПС создается саморазвивающаяся система трещин, которая резко снижает механическую прочность снега, и поэтому послед­ний сходит в виде лавины.

По существу, если сравнить сход лавины с выстрелом из ру­жья, то можно сказать, что первичное механическое сотрясение снега – это удар бойка по капсюлю, а последующее действие Т-СРПС – это воспламенение капсюля-детонатора, который уже за­тем зажигает порох в патроне, т. е. сход лавины.

Роль в сверхпроводимости электрического тока

Кажется, что этот раздел совсем не соответствует теме книги, но только на первый взгляд. Известно, что электрический ток обу­словлен потоком электронов вдоль проводника под воздействием приложенного магнитного поля. Электроны имеют определенную массу и заряд и поэтому ведут себя, как частицы, способные со­ударяться друг с другом и отталкиваться, создавая подобие газо­вой среды. В физике существуют понятия «электронное облако», «электронный газ». Но электроны тесно связаны с ядрами атомов и, следовательно, в отличие от газов в проводниках не могут уда­литься далеко за их пределы, так как ядра притягивают их к себе. В этом плане электронный газ ближе к электронной жидкости, ведь молекулы жидкости также держатся компактной массой за счет стягивания их ван-дер-ваальсовыми силами.

Если масса электронов ведет себя, как газ или жидкость, то и в ней должно проявляться действие Т-СРПС. Но каким образом?

У меня возникла идея, что посредством Т-СРПС можно объ­яснить сверхпроводимость электрического тока. Сверхэлектропро­водимость была обнаружена в 1911 г. К. Онессом, показавшим, что при сверхнизких температурах сжижения гелия в проводниках пол­ностью исчезает сопротивление электрическому току, который, раз запущенный в круговую сеть, может поддерживать это движение неограниченно долго без придания дополнительной энергии.

Современное объяснение сверхпроводимости следующее (Гинзбург, 1987; Матвеев, 1989). При обычных температурах элек­трическое сопротивление металла обусловливается главным об­разом рассеянием электронов на атомах кристаллической решетки металлов. Атомы совершают тепловые колебания около узлов ре­шетки и этим мешают свободному проходу электронов вдоль про­водника, отталкивая их в стороны от прямого пути. Колебания ре­шетки описываются как возбуждения твердого тела, называемые фононами, а вся совокупность колебаний описывается понятием фононного газа. Электрическое сопротивление в этом случае яв­ляется результатом электрон-фононного взаимодействия.