Файл: Егоров Н.И. Физическая океанография.pdf

в формуле Гука. Это наиболее важная величина, характеризую­ щая упругие свойства льда.

Е — модуль упругости в кг/см2 или т/м2.

Эксперименты по определению величины Е, проведенные с по­ мощью акустического метода, показали, что при не очень низких температурах модуль упругости пресного льда лежит в пределах

90—100- 103 кг/см2.

Зависимость модуля упругости от температуры почти не изу­ чена. Известно только, что с понижением температуры модуль уп­ ругости льда возрастает. Для морских льдов в температурном интервале от 5 до —15° С значение Е лежит в пределах 30—45х X Ю3 кг/'см2.

Временное сопротивление льда на изгиб — ат (разрушающее напряжение) характеризует прочность льда. На величину от ока­ зывают влияние температура льда, неравномерность распределе­ ния температуры и солености в его толще, величина импульса силы, структура и характер льда. Значения для пресного и слабо соле­ ного зимнего льда лежат в пределах от 20 до 25 кг/см2. При уме­ ренно низких температурах (—5, —10° С) прочность соленого льда в два-три раза меньше, чем пресного. Среднее значение ат при отрицательных температурах и солености льда 2—5%о, как показывают данные различных исследователей, лежит в пределах

8—10 кг/см2.

При температурах, близких к 0°С, морской лед по своей проч­ ности в три-четыре раза уступает льду пресному. У морского льда чаще всего определяют прочность на растяжение. Максимальное напряжение изгиба можно считать равным предельной прочности льда на растяжение.

К о э ф ф и ц и е н т П у а с с о н а р определяется при сжатии или растяжении ледяного цилиндра как отношение деформаций вдоль осей X и Y, т. е. гх и гу (ось Y перпендикулярна оси А'). Это отноше­ ние представляет собой постоянную величину. Величина р для мор­ ского льда практически не зависит ни от солености, ни от темпе­ ратуры. Обычно считают, что коэффициент Пуассона равен 0,3. Для удобства расчетов часто пользуются величиной т, обратной коэффициенту Пуассона.

Твердость льда определяется по шкале твердости минералов Мооса, т. е. по сопротивлению, оказываемому при царапании эта­ лонными минералами (табл. 14).

С понижением температуры воздуха твердость льда возрастает. Твердость пресного льда при 0°С близка к твердости каменной соли, при —30° С равна твердости плавикового шпата, а при —50° С — полевого шпата, который, как известно, является состав­ ной частью гранита. Поэтому применение кирок, лопат, пил для разрушения льда, находящегося под действием низких температур, не дает большого эффекта.

Одновременно с твердостью при понижении температуры уве­ личивается и хрупкость льда. Во время сильных морозов лед легко раскалывается с сильным треском на большие глыбы даже при сравнительно слабых ударах. При ударах и взрывах лед характе­ ризуется большой осколочностыо.

Со звуком, напоминающим пушечный выстрел, могут мгновенно разрушаться, превращаясь в ледяную крошку, обломки антаркти­ ческих айсбергов. Такой лед, как показали исследования, насыщен запрессованными в него пузырьками сжатого воздуха, проявляю­ щими взрывчатую силу под воздействием ударов или тепла. «Осто­ рожно, возможен взрыв!» — предупреждают теперь лоции моряков, плавающих вблизи айсбергов в антарктических водах.

Механизм работы льда под нагрузкой. Несущая способность ледяного покрова (грузоподъемность) является не постоянной, а меняющейся величиной. Она зависит не только от толщины, со­ стояния льда и его физико-механических характеристик, но и от радиуса распределения нагрузки и условий гидрометеорологиче­ ской обстановки.

М. М. Казанский, Г1. П. Кобеко, А. Р. Шульман показали, что нельзя подходить к проблеме определения несущей способности ледяного покрова без учета времени действия и величины силы, приложенной ко льду. Лед под нагрузкой деформируется. В зави­ симости от скорости деформации его свойства изменяются, и он может вести себя как упругое, пластическое и хрупкое тело. На практике различают следующие основные случаи:

1)неподвижная нагрузка;

2)медленно движущаяся нагрузка;

3)быстро движущаяся нагрузка;

4)удар.

Характер и величина деформации ледяного покрова и условия прочности существенно различны в указанных случаях. Поэтому невозможно какой-либо одной формулой охватить все случаи на­ ложения нагрузки на лед.

При стоянке грузов основную роль играют пластические свой­ ства ледяного покрова, т. е. явление текучести льда. С течением времени в ледяном покрове в месте приложения нагрузки возни­ кают прогибы, интенсивность возрастания которых существенно

132

зависит не только от времени, но и от веса и формы груза, тол­ щины и строения льда, температуры воздуха и снежного покрова. Самая выгодная форма нагрузки — прямоугольная, а затем уже квадратная. Наихудшей формой считается круглая.

Чем толще лед и чем легче нагрузка, тем меньше он прогиба­ ется. Если ледяной покров недостаточно толст для груза данного веса, стрелка прогиба быстро увеличивается п при величине про­ гиба, примерно равной половине толщины льда, груз проламывает под собой лед. Расчет допустимого времени стоянки грузов на льду производится по известной формуле М. М. Казанского.1

При медленном движении груза лед под ним также прогиба­ ется. Возникший прогиб передвигается по ледяному покрову стой же скоростью, что и сама нагрузка. Позади движущейся нагрузки прогиб льда сразу исчезает. Лишь при прохождении очень тяже­ лых грузов наряду с упругими деформациями развиваются и ос­ таточные, обусловленные текучестью льда. В этом случае проч­ ность ледяного покрова понижается за счет явления усталости льда.

Быстрое движение нагрузок сопровождается волнообразными колебаниями ледяного покрова, возникающими вследствие образо­ вания подо льдом свободной водяной волны. Скорость ее распро­ странения (с) при условии, что глубина водоема значительно

кие волны, имеющие характер свободной волны, появляются при движении грузов со скоростью порядка 25—30 км/ч и распрост­ раняются с некоторой постоянной для данного льда и водоема ско­ ростью, зависящей в основном только от глубины и размеров во­ доема, толщины и свойств льда. Если скорость движения нагрузки меньше скорости вызванной ею волны, то волна опережает на­ грузку. В том случае, когда скорость нагрузки совпадает со ско­ ростью волны, имеют место резонансные явления, которые могут привести к пролому льда. При езде по льду со скоростью, большей, чем скорость распространения волны, нагрузка перегоняет вы­ званную волну. Интересно отметить, что одиночные грузы, пере­ двигающиеся с очень большой скоростью, могут форсировать ле­ дяной покров и за пределами его прочности, дробя лед и остав­ ляя за собой как бы кильватерную струю из обломков льда и во­ дяных брызг. В этом случае ледяной покров ведет себя как кон­ струкция, предназначенная для одноразового использования. Для того чтобы ответить на вопрос, при какой толщине льда допустима переправа данного груза, надо знать, в каких условиях этот груз будет переправляться и на какой риск следует идти при органи­ зации этой переправы, иначе говоря, вопрос сводится к выбору коэффициента запаса прочности, который зависит от рода и на­ значения переправы.

1 «Правила по технике безопасности при производстве гидрометеорологиче­ ских работ». Гидрометеоиздат, 1970.

133

Важным фактором при эксплуатации ледяного покрова явля­ ется образование в нем трещин, которые, снижая его грузоподъ­ емность, могут стать причиной провалов грузов под лед.

Ветер и колебания уровня подледной воды также влияют на состояние и прочность ледяного покрова. Они приводят в колеба­ тельное движение обширные пространства льда, вызывая по­ движки ледяного покрова. Резкое падение уровня воды значи­ тельно уменьшает несущую способность ледяного покрова. Транс­ портировка грузов в момент спада воды обычно сопровождается характерным пугающим треском оседающего льда.

Расчет грузоподъемности морских ледовых переправ произво­ дится по формулам М. М. Казанского и А. Р. Шульмана,1 в основу которых положено решение задачи об изгибе упругой пластины, находящейся на упругом основании. В зависимости от выбранной величины коэффициента запаса прочности переправы по надежно­ сти разделяются на переправы на пределе прочности, переправы с пониженным запасом и нормальные переправы.

На строение и прочность морских льдов большое влияние ока­ зывают микроорганизмы. Например, антарктические припайные льды заселены одноклеточными диатомовыми водорослями, кото­ рые способны к активным движениям в толще ледяного покрова. Опыты В. X. Буйницкого (1968) и М. М. Казанского (1971) по­ казали, что диатомеи могут уменьшать грузоподъемность льда

на 40%.

При ударе нагрузки о лед он ведет себя как хрупкое тело, спо­ собное мгновенно разрушаться под действием приложенной силы. Чтобы понять, каким образом текучее тело превращается в хруп­ кое при увеличении скорости деформации, достаточно сослаться на известный школьный опыт с куском вара, который может течь даже под влиянием собственного веса и ломается, как хрупкое тело, при ударе молотком.

§ 19. Классификация морских льдов

Современная классификация морских льдов позволяет доста­ точно удовлетворительно охарактеризовать их по генетическому (происхождение льда и пути его формирования), морфологиче­ скому (форма и размеры льда, вид его поверхности, торосистость), возрастному (стадии развития и разрушения различных видов льдов), навигационному (проходимость льдов судами) и динами­ ческому (подвижность льда, его дрейф) признакам.

Льды, встречающиеся в море, по происхождению делятся на м о р с к и е , р е ч н ы е и г л е т ч е р н ы е (лед материкового про­ исхождения) .

В зависимости от возраста различают следующие стадии разви­ тия и виды2 морского льда.

1 «Правила по технике безопасности при производстве гидрометеорологиче­ ских работ». Гидрометеоиздат, 1970.

2 «Номенклатура ВМО по морскому льду» 1970.

134

Начальные виды льдов. Ледяные иглы: тонкие иглы или пла­ стинки льда, взвешенные в воде.

Ледяное сало: следующая после ледяных игл стадия замер­ зания, когда кристаллы льда сгустились и образуют почти сплош­ ной слой на поверхности. Ледяное сало отражает мало света и придает поверхности воды матовый оттенок.

Снежура: выпавший на поверхность моря, свободную ото льда, снег, пропитанный водой и представляющий собой вязкую массу.

Шуга: скопление пористых кусков льда белого цвета, дости­ гающих нескольких сантиметров в поперечнике; образуется из ле­ дяного сала или снежуры, а иногда из донного льда, поднимаю­ щегося на поверхность.

Нилас: тонкая, эластичная корка льда, легко прогибающаяся на волне и зыби и при сжатии образующая зубчатые наслоения. Имеет матовую поверхность и толщину до 10 см. Может подразде­

Склянка: легко ломающаяся блестящая корка льда, образую­ щаяся на спокойной поверхности воды в результате непосредст­ венного замерзания или из ледяного сала, обычно в воде малой солености. Толщина ее до 5 см. Легко ломается при ветре или волне, причем обычно разламывается на прямоугольные куски.

Блинчатый лед: пластины льда преимущественно круглой формы от 30 см до 3 м в диаметре и приблизительно до 10 см толщиной, с приподнятыми краями вследствие удара льдин одна о другую. Он может образовываться на легкой волне из ледяного сала, шуги или снежуры, а также в результате разлома склянки, ниласа и серого льда в условиях большой зыби. Блинчатый лед может также образовываться на некоторой глубине на поверхно­ сти раздела между водными массами с различными физическими характеристиками.

на серый лед и серо-белый лед.

Серый лед: молодой лед 10—15 см. Менее эластичен, чем ни­ лас, и ломается на волне. При сжатии обычно наслаивается.

Серо-белый лед: молодой лед толщиной 15—30 см. При сжатии чаще торосится, чем наслаивается.

Однолетний лед: морской лед, просуществовавший не более од­

лый лед), однолетний лед средней толщины и толстый однолетний лед.

Тонкий однолетний — белый лед: однолетний лед толщиной от

30 до 70 см.

Однолетний лед средней толщины: однолетний лед толщиной от

10 до 120 см.

135