Пазинич В.Г. Гидродинамические явления - Статті українських науковців - Наукові статті - Каталог статей

Головна » Статті » Наукові статті » Статті українських науковців

Пазинич В.Г. Гидродинамические явления

Пазинич В.Г.
Київський національний університет ім.Т.Г.Шевченка

Проверка соответствия некоторых ландшафтно-геоморфологических доктрин законам элементарной физики

Часть 2

Гидродинамические явления

   Не так давно, в ходе изучение строения песчаных форм в районе Вышгорода, Л.Ф. Дубис было выявлен уникальный природный объект – песчаный язык, разорвавший погребенную почву. Этот природный объект был описан в нескольких публикациях, в том числе и на сайте «Географики» (Стратиграфия Кирилловской стоянки ….). После получения дополнительной информации, относящейся к физике этого явления, был написан этот раздел, который и предлагается читателю. Для напоминания сути проблемы в начале приводится фрагмент из упомянутой работы.
   З ґрунтом, зображення якого представлені на рис. 5B, D та F, пов’язане одне з найкращих відкриттів, що проливає світло на динаміку дії потужних водно-піщаних потоків на земну поверхню. 50 м на захід від описаного вище несанкціонованого кар’єру, Л. Дубіс в невеликій стінці зробила зачистку, яка виявила надзвичайно цікаве співвідношення ґрунту та піщаної верстви (рис. 12). Зображенням зафіксований унікальний момент проникнення водно-піщаної пульпи в землю і розриву нею похованого ґрунту. Піщаний язик увійшов у землю більше ніж на 7 м. В початковій фазі, коли енергія потоку значно перевищувала опір піщаної товщі утворився прямолінійний відрізок, напрямок якого відповідає напрямку удару. Далі сила потоку стала вирівнюватися з опором товщі і потік втратив прямолінійність, утворивши при цьому кілька згинів. Після зрівняння сили опору та енергії потоку він остаточно зупинився.
   З рисунку видно, що потік під невеликим куток увійшов у землю згори вниз. Такий напрямок був обумовлений попереднім ударом в перешкоду, яка його підкинула догори і вже на низхідній ділянці траєкторії він вдарив в поверхню. Важливим моментом у цьому розрізі є те, що потік влучив у ґрунт, який став стратиграфічним репером і який зафіксував факт силової дії потоку на поверхню. З рис. 5D видно, що ця дія відбувалася на висоті більше 30 м над сучасною заплавою Дніпра. З отриманих датувань виникає, що це сталося приблизно 11-12 тис. р. т. Без сумнівів, зафіксоване Л. Дубіс явище є унікальним і невисвітлене у літературі.

Рис. 12 . Панорама зачистки язика водно-піщаної пульки в місці розриву ґрунтового шару (фото Л. Дубіс)

К вышеизложенному необходимо добавить, что возникновение раздутий, которые мы видим на изображении, хорошо согласуется с таким постулатом аэро- и гидродинамики как, произведение скорости на давление внутри потока есть константа. На панораме разреза присутствуют два раздутия, при этом над вторым отчетливо видно деформацию поверхности. Прямолинейный отрезок, длина которого составляет примерно 3 м, свидетельствует о том, насколько большой была кинетическая энергия потока. При падении скорости в пористой среде в потоке начало расти давление, что привело возникновению раздутия, в пределах которого поток с линейного трансформировался в турбулентный. Его вращение зафиксировалось в перемешивании линз песка с почвой (рис.1а). При большем увеличении изображения видны захват и отрыв почвы водно-песчаной пульпой (рис. 1б). Из высоты деформации (примерно 20 см) можно оценить значение роста давления. Основываясь на разности плотностей води и горный пород, находим, что эквивалентом двадцатисантиметровой деформации является водяной столб высотой около 50 см, что соответствует 0,05 атм.

Рис.1. Детальное изображение структуры песчаного языка

Пользуясь простыми формулами для характеристики кинетической и потенциальной энергии, мы можем также оценить и скорость движения пульпы. Напомним, кинетическая энергия это mV2/2, а потенциальная – mgh. В конечном виде уравнение будет иметь следующий вид - V= √2gh. Из анализа топографических материалов следует, что в данной местности песок был отложен на отметках до 140 м. Это примерно на 20 м выше, чем на рассматриваемом разрезе. Но если учесть тот факт, что средняя высота потока вдоль долины Днепра составляла 20 м., то общая высота подъема не превышала 30 м. Таким образом, скорость потока достигала 25 м/с или 90 км/ч.
   После публикации данной версии возникновения песчаного языка автору пришлось услышать (письменных дискуссий не было) два возражения. Первое по силе, не уступает знаменитому чеховскому – «этого не может быть, потому что, этого не может быть никогда». Оно звучало так – «я не знаю, как это озникло, но не так как здесь написано». Второе выглядит даже очень научно – «это криотурбация». В литературе это определение используется достаточно широко, но его физическая основа держится в секрете. Но в данной ситуации это не имеет значения. Во-первых, на лицо несовпадения возраста разорванной почвы со временем последнего ледникового периода. Возраст верхней части почвы составляет 11200±400 лет, а нижней - 16200±300 лет. Это припадает на финальную фазу деградации Валдайского ледника и, вряд ли, тут могли быть значительные криогенные явления. Во-вторых, если сравнить мощность и гумусированость современной и погребенной почв, то вид последней говорит о более благоприятных условиях ее формирования.
   Но после замечания о криотурбациях возникает вопрос, а были ли те примеры, которые приводились в литературе действительно криотурбациями, а не такими же образованиями, как только что рассмотренное? Может просто при недостаточном уровне познания природы во времена, когда этот термин был придуман, в условиях информационной ограниченности и игнорирования простыми физическими законами кому-то пришла в голову идея, которая и гуляет до сегодняшнего дня в литературе.
Личный опыт автора показывает, что практически во всех случаях, когда предлагаются физические модели природных процессов, поднимается вопрос об их экспериментально-лабораторной или натурной верификации. Пожелание в целом справедливое, но ставить ударение на «экспериментальности» не всегда целесообразно. Большинство природных явлений априори не могут быть смоделированы, по той простой причине, что не известны все факторы, которые принимают в них участие. Как доказательство, можно привести пример с эоловой аккумуляцией. Как бы не проводились эксперименты, но без учета электростатических сил, которые неизбежно возникают при трении песка с воздухом и о поверхность, да еще в условиях дифференцированного электрического поля Земли, результаты этих экспериментов нельзя считать полноценными. Кроме, отсутствия полноты наших знаний о природных процессах, большинство из них невозможно смоделировать по причине их масштабности.
   Но если присмотреться внимательно, то почти всегда можно найти природный или промышленный аналог интересующему нас объекту. Например, влияние электростатических сил на эоловую аккумуляцию реализовано в фильтрах по очистке в промышленности дымов от твердых частиц. Безусловно, эти установки не моделируют природное явление в целом, но их действие доказывает, что электростатические силы работают.
   У описанного выше механизма возникновения песчаного языка также имеет свои аналоги, как в природе, так и в промышленности. Воздействие морских волн на песчаный или валунно-галечниковый берег основывается на тех же физических принципах. Волна проникает в пустоты, теряет скорость, а растущее при этом давление поднимает материал, которые под действием волны перемещается дальше от береговой линии.
   На рис. 2 показаны два изображения валунно-галечникового пляжа в районе мыса Плака (ЮБК). С верхнего изображения видно, что пляж полого и достаточно равномерно опускается к воде. На нижней фотографии, сделанной после нескольких дней трехбалльного волнения, прослеживаются уступ, высота которого на некоторых участках достигает 70 см (красным показан отрезок пляжа с верхней фотографии). Расчет по формула, наведенным выше, показывает, что скорость водного потока составляла примерно 4,5 м/с.

Рис. 2. Результаты воздействия трехбалльного волнения на валунно-галечниковый берег

Почти полный аналог, описанного выше механизма формирования песчаного языка в Вышгороде, можно было наблюдать с другой стороны мыса Плака (4 км севернее Аю-Дага). Здесь, между мысом Плака и горой Аю-Даг, в 80-х годах п. с. была построена бетонная набережная, которая в целом неплохо вписалась в местный пейзаж. Но время берет свое и влияние стихии все в большей степени сказывается на ее состоянии.
В самом начале пребывания в Утесе обратил на себя внимание развороченный участок асфальта на набережной (рис. 3). По словам экскурсовода, это случилось фактически в день нашего приезда во время шестибалльного шторма. Со стороны моря (снимок сделан с пирса) видно, что плиты, которые лежали на монолитном основании набережной были сдвинуты (рис. 4). В некоторых местах между ними и основанием застряли небольшие валуны. При детальном рассмотрении (врезка в нижнем правом углу) видно, что ширина зазора не превышает 10 см. Обращает на себя внимание характер углубления на месте разрушения асфальтного покрытия, по форме оно напоминает фрагмент конуса, из которого гравий был выброшен на несколько метров вокруг углубления. На расстояние 5-6 метров были отброшены и некоторые куски асфальтного покрытия (рис. 5). Все указывает на то, что удар был достаточно мощным. Поток воды вошел в узкую щель, после чего проник в зазоры между гравием. При падении скорости возросло давление, которое превысило вес слоя асфальта. Покрытие не выдержало давления, было разорвано на куски, которые смечтились на различное расстояние.

Рис.3. Разрушенный участок асфальтного покрытия набережной

Рис.4. Вид разрушенной части со стороны моря

Рис.5. Фрагменты асфальтного покрытия отброшенные на 5-6 м к противоположному краю набережной

Начальная скорость потока рассчитывается по той же схеме, что и в предыдущих случаях. Поскольку щель находится на высоте 4,5 м над урезом воды, то в момент вхождения струи, ее энергия выражалась следующей зависимостью V2= 2 х 9,8м/с2 х 4,5 м. Откуда находим значение скорости – 9,4 м/с или 34 км/час. Но эту величину следует считать минимальной, поскольку при вхождении в щель поток также обладал и кинетической энергией.
После этого случая, обратило на себя внимание повреждение бетонного покрытия пирса, которое было связано с технологической щелью и которое имело форму половины лейки, напоминающую трубки взрыва. Можно предполагать, что возникло это повреждение по той же причине и той же схеме – в момент удара волны в пирс со стороны стенки, в которой начиналась трещина.

Рис. 6. Повреждение бетонного покрытия пирса

В завершение обратим внимание, что все вышеизложенные примеры имеют общий технический аналог – гидромонитор, который широко используется в горнодобывающей промышленности.

Фото: Авторські
Джерело: Пазинич В.Г. (Київський національний університет ім.Т.Г.Шевченка)