Кроме теоретического интереса, изучение физических процессов, происходящих на болоте, имеет практическое значение: на болотах гибнет много людей, которые могли бы остаться в живых, если бы они были лучше осведомлены о коварных свойствах трясины. А свойства эти действительно очень коварны. Трясина подобна хищнице. Она по-разному реагирует на попадающие в нее живые и неживые объекты: не трогает мертвое, но засасывает все живое. Это свойство трясины заслуживает особого внимания и будет интересовать нас в первую очередь. Для начала опишем его подробнее.
В первом приближении трясину можно считать жидкостью. Поэтому на попавшие в нее тела должна действовать архимедова выталкивающая сила. Это действительно так, и предметы даже большой плотности, превышающей плотность человеческого тела, в трясине не тонут. Но стоит попасть в нее человеку или другому живому существу — их «засосет», т. е. они целиком погрузятся в трясину, хотя их плотность меньше плотности не тонущих в трясине предметов.
Спрашивается, почему трясина ведет себя столь неожиданным образом? Как она отличает живые объекты от неживых?
Чтобы ответить на эти вопросы, нам придется подробнее остановиться на изучении физических свойств трясины.
Необходимо отметить, что слово «трясина» описывает нечеткий объект. В зависимости от происхождения, состава, степени разложения органических веществ, водного режима, засоленности и т. д. различают более 40 видов болот, поэтому физические свойства болотных почв варьируются в очень широких пределах, и приводимые ниже численные значения следует рассматривать как приближенные.
Перейдем к рассмотрению тех физических свойств трясины, которые играют решающую роль. Начнем с плотности. Как известно, плотностью называется масса единицы объема вещества и именно от нее зависит величина архимедовой выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость тело. Выталкивающая сила направлена вертикально вверх и ее значение можно найти по формуле Ра~ PgV, где р — плотность жидкости, g—- ускорение силы тяжести, V — объем той части тела, которая погружена в жидкость. Плотности различных видов болотных почв колеблются в пределах 1,2—2,6 г/см3. Обратите внимание на то, что плотность трясины больше плотности воды и при одинаковой степени погружения трясина будет выталкивать тело с большей силой, чем вода.
Следующая важная характеристика болотных почв — это липкость, т. е. способность почвы во влажном состоянии прилипать к поверхности вводимых в нее предметов: рабочим частям почвообрабатывающих орудий, колесам машин и т. д. Это прилипание вызывается так называемыми адгезионными силами — силами взаимного притяжения молекул на соприкасающихся поверхностях. Проявляется липкость тогда, когда сцепление между почвенными частицами становится меньше того, которое возникает между почвой и соприкасающимися с нею предметами: Необходимо подчеркнуть, что липкость является характеристикой именно почвы (это прочность почвы на разрыв), а не контакта «почва — предмет», поэтому липкость не зависит от материала вводимого в почву образца, если,  конечно,  почва  вообще прилипает к образцу.
Липкость принято измерять усилием в гс/см2, требующимся для отрыва от почвы прилипшего к ней предмета. Липкость почвы зависит от ее влажности и состава — например, при повышении содержания натрия в почве липкость ее увеличивается. Липкость предельно липких почв составляет примерно 80 гс/см2, но обычно она имеет значение в несколько раз меньшее — так, для сырого песка значение липкости порядка 0,5 гс/сма.
Не следует путать липкость с поверхностным натяжением — это разные величины, имеющие разный физический смысл и разную размерность. Конечно, они связаны между собой, но углубляться в этот вопрос не стоит, поскольку поверхностное натяжение играет в процессах пренебрежимо малую роль. Действительно, поверхностное натяжение трясины ненамного отличается от поверхностного натяжения воды, и нетрудно подсчитать, что обусловленные им силы оказываются порядка 7—10 гс/см. Это значительно меньше других сил (веса и архимедовой силы), действующих на тело, погруженное в трясину, поэтому поверхностное натяжение мы в дальнейшем учитывать не будем.
Осталось рассмотреть еще одну характеристику болотных почв — вязкость. Это свойство будет играть центральную роль в дальнейших рассуждениях, и разговор о нем будет настолько сложным, что ему придется посвятить отдельный раздел.
Что такое вязкость?
Поместим тонкий слой жидкости между двумя параллельными плоскими пластинами, расположенными на расстоянии Д1 друг от друга. Если к верхней пластине приложить силу в касательном направлении, то она начнет двигаться относительно неподвижной нижней. При этом слои жидкости станут скользить друг относительно друга: вблизи нижней пластины скорость частиц жидкости будет мала, а вблизи верхней — почти равна скорости этой пластины. Эта ситуация изображена на рис.

При движении слоев жидкости относительно друг друга в жидкости возникают силы внутреннего трения. Количественной характеристикой этих сил является коэффициент вязкости, который для краткости будем называть просто вязкостью. Что это за величина?
Если на верхнюю пластину в касательном направлении действует сила F, то скорость пластины будет возрастать до тех пор, пока действующая на нее со стороны жидкости сила трения не уравновесит силу F. Дальнейшее движение будет равномерным со скоростью v. Коэффициент пропорциональности между и напряжением т (напряжением называется сила, действующая в касательном направлении на единицу площади верхней пластины,  и есть вязкость;                                                        
         (1)
Таким образом, чем больше вязкость, тем большее напряжение надо приложить к верхней пластине, чтобы достигнуть заданной скорости vустановившегося движения.
Преобразуем теперь соотношение (1). Заметим для этого, что   -
              (2)
Где — смешение верхней пластины относительно нижней за время . Поэтому
         (3)
А что такое ? Это тангенс угла , изображенного на рис.,  — угол, на который смещается точка А за время.
При малых  угол  тоже мал, а известно, что танген­сы малых углов приблизительно равны по величине самим углам (углы при этом надо измерять в радианной мере), и поэтому соотношение (3) записывается в виде
               (4)
Уравнение (4), устанавливающее связь между напряжением и скоростью изменения угла, называется реологическим

уравнением, а график зависимости между напряжением т и скоростью сдвига  называется реологической кри­вой.
Для  многих  жидкостей  вязкость зависит  только от температуры и давления, но не зависит от скорости изменения угла ,  поэтому их реологическая кривая является прямой, проходящей через  начало координат (след. рис.), Такие жидкости называются ньютоновскими, к ним относятся вода, бензин, спирт, глицерин и многие другие. Однако существуют жидкости, для которых реологическая кривая не есть прямая,                

проходящая через  начало координат. Такие жидкости называются неньютоновскими и их возможные   реологические  кривые  изображены  на рис.
Реологическая кривая I будет интересовать нас больше всего. Она описывается реологическим уравнением   
.
которое    называется    уравнением    Бингама — Шведова (Ф. Н. Шведов предложил его в  1889 г., Б. Бингам — в 1916 г.). Коэффициент в формуле (5) называется пластической вязкостью, а  — критическим напряже­нием.
Те неньютоновские жидкости, которые имеют реологическую кривую 1 и описываются уравнением Бингама — Шведова (5), называются бингамовскими жидкостями. К ним относятся масляные краски, некоторые

смолы, лаки, суспензии типа глинистых паст и буровых растворов, а также некоторые типы болотных почв. Вот здесь начинаются интересные вещи.
Реологическая кривая 1 на рис. и ее уравнение (5), записанное в виде

позволяют понять основную особенность бингамовскнх жидкостей. Она заключается в том, что такие вещества при малых напряжениях не текут. До тех пор пока сдвиго­вое напряжение  не превысит критического значения , бингамовская жидкость сопротивляется сдвигу как твер­дое тело. Но как только  превысит предел текучести  - бингамовская жидкость потечет как обычная ньютонов­ская жидкость. Если напряжение снова уменьшить — течение опять прекратится. Трясина является бингамов-ской жидкостью, и именно это обстоятельство делает ее столь опасной. То, что она по-разному реагирует на попадающие в нее живые и неживые объекты, тоже обус­ловлено именно ее бингамовскими свойствами. Давайте посмотрим, чем плавание тел в ньютоновских жидкостях отличается от плавания в бингамовских.

О плавании тел в ньютоновских жидкостях

Рассмотрим как плавает тело в ньютоновских жидкостях, например в воде. Поднесем к поверхности воды тело, плотность которого меньше ее плотности, и отпустим его. Через некоторое время установится состояние равновесия: тело будет погружено до такого уровня, при котором архимедова выталкиваю­щая сила в точности равна весу тела. Это состояние равновесия является устойчивым — если на тело подей­ствовать внешней силой и утопить его глубже (или нао­борот, приподнять вверх), то после прекращения дейст­вия силы оно вернется в прежнее положение. Уровень погружения, при котором архимедова сила равна, ве­су, мы будем называть уровнем нормального погру­жении.
Обратите ваше внимание на то, что уровень нормаль­ного погружения определяется только соотношением плотностей и не зависит от вязкости жидкости. Если бы болотная трясина была просто ньютоновской жидкостью с большой вязкостью, она была бы не очень опасна. При разумном поведении на ее поверхности можно было бы держаться довольно долго. Вспомните, как ведут себя уставшие пловцы, если они хотят отдохнуть прямо в воде? Они переворачиваются на спину, раскидывают руки и лежат не двигаясь столько, сколько хотят. Поскольку плотность воды меньше плотности трясины, то аналогич­ным образом можно было бы долго лежать на поверхности трясины, и вязкость этому, особо не мешала бы. Можно было бы не торопясь обдумать ситуацию, принять наилуч­шее решение, попытаться осторожно грести руками, стараясь попасть к твердому месту (вот тут вязкость была бы помехой), наконец, просто ждать помощи. Выталкивающая сила надежно держала бы человека на поверхности болота: если в результате неосторожного движения человек погрузился бы ниже уровня нормаль­ного погружения, архимедова сила все равно вытолкнула бы его обратно.
К сожалению, в действительности все обстоит гораздо хуже. У человека, попавшего в трясину, нет времени ни на размышления, ни, тем более, на ожидание. Трясина является неньютоновской жидкостью и ее бингамовские свойства кардинально меняют ситуацию.

О  плавании тел в бингамовскнх жидкостях

Поднесем тело к поверхности бингамовской жидкости и опустим его. Если тело достаточно легкое и оказываемое им давление мало, то может случиться так, что возникающие в жидкости напряжения будут меньше порога текучести и жидкость будет вести себя как твердое тело. То есть предмет может стоять на поверх­ности жидкости и не погружаться.
С одной стороны, это вроде бы хорошо. Именно благо­даря этому свойству вездеходы с малым давлением на грунт легко преодолевают непроходимые для человека болота. Да и человек, с помощью специальных «болотных лыж» или мокроступов может снизить давление на почву и чувствовать себя на болоте в относительной безопас­ности. Но у этого явления есть и другая сторона. Уже сам факт того, что погружение тела прекращается при наличии неравенства веса и архимедовой силы, настораживает — все происходит не так, как обычно. Представим себе, что вес нашего тела достаточно велик и оно начнет погру­жаться. До каких пор будет происходить это погружение? Ясно, что не до тех, когда архимедова сила сравняется с весом. При погружении тела архимедова сила будет частично компенсировать вес, давление на почву будет уменьшаться и наступит момент, когда напряжения вновь станут меньше to. При этом бингамовская жидкость перестанет течь и тело остановится раньше, чем архимедова сила станет равна весу. Такое состояние, когда архиме­дова сила меньше веса, но дальше тело не погружается, называется состоянием недопогружения (см. рис.а).
А.теперь - самое глав­ное. Если в жидкости возможны состояния недопогруже­ния, то по тем же причинам возможны и состояния пере­погружения, в которых архимедова сила больше веса, но тело не всплывает (рис. в). Помните, что происходило вньютоновской жидкости? Если в результате каких-либо действий человек опускался ниже уровня нормального погружения, то архимедова сила становилась больше веса и возвращала его обратно. В бингамовской жидкости ничего аналогичного (при достаточно большом т0) не про­исходит. Погрузившись в результате каких-либо неосто­рожных действии, вы уже не всплывете обратно, а будете находиться в перепогруженном состоянии. Процесс «утопания» в трясине

оказывается необратимым. Теперь можно придать более точный смысл слову «засасывание». Оно означает стремление трясины утопить живые объекты ниже уровня нормального погружения — в перепогруженное состояние.
Нам осталось совсем немного — разобрать, почему болотная трясина засасывает, т. е. увлекает в перепогруженное состояние только живые объекты.

Причины перепогружения

Живые объекты перепогружаются потому, что, попав в трясину, они движутся, т. е. изменяют взаимное расположение частей своего тела. Это ведет к перепогружению по четырем причинам.
Причина первая. Представьте, что у вас в руках тяже­лый груз и вы начинаете его поднимать. Чтобы сообщить ему ускорение вверх, вы должны подействовать на него с силой, превосходящей вес этого тела. В соответствии с третьим законом Ньютона сила, действующая на ваши руки со стороны груза, тоже будет больше его веса. Поэтому сила, с которой ваши ноги давят на опору, увеличится. Если вы стоите в трясине, то попытка поднять груз, который вы держите в руках, приведет к тому, что ноги утонут в трясине глубже.
А если груза в руках нет? Принципиальной стороны дела это не меняет — рука имеет массу, и поэтому сама является грузом. Если вы находитесь на уровне нормального погружения, то попытка просто поднять руку приведет к перепогружению. В данном случае перепогружение будет очень незначительно, но оно будет необратимым, и многократные движения могут привести к перепогружению на большую величину.
Причина вторая. Трясина имеет большую липкость и чтобы оторвать, например, руку от поверхности трясины, нужно приложить силу. При этом давление на опору возрастает и будет происходить перепогружение.
Причина третья. Трясина является вязкой средой и оказывает сопротивление движущимся в ней предметам. Если вы попытаетесь вытащить увязшую руку, то при ее движении вы должны будете преодолеть силы вязкости, и давление на опору возрастает. Снова произойдет перепогруженне.
Причина четвертая. Все хорошо знают, что при выдергивании ноги из грязи слышен характерный хлю­пающий звук — это атмосферный воздух заполняет оставленный ногой след. Как вы думаете, почему такого звука не слышно при вытаскивании ноги из воды? Ответ достаточно очевиден — вода имеет малую вязкость, течет быстро и успевает заполнять пространство под движущейся вверх ногой. Грязь имеет гораздо большую вязкость и силы, препятствующие перемещению одних слоев относительно других, для нее больше. Поэтому грязь течет медленно и не успевает заполнять пространство под ногой. Там образуется «пустота» — область пониженного давления, не занятая почвой. При вытаскивании ноги из грязи эта область сообщается с атмосферой, в нее врывается воздух и в результате слышен тот самый звук, о котором мы говорили раньше.
Таким образом, наличие хлюпающего звука говорит о том, что при попытке освободить увязшую в грязи ногу приходится преодолевать не только силы, обусловленные липкостью и вязкостью, но и силы, связанные с атмосферным давлением.
При резких движениях человека, попавшего в тря­сину, под перемещающимися в трясине частями тела бу­дут возникать области пониженного давления, и атмосферное давление будет с большой силой давить на человека вниз, заталкивая его в перепогруженное состояние.
Совместное действие  всех  четырех  причин  приводит к следующему эффекту: изменение формы попавшего в трясину тела ведет к его перепогружению.
Теперь многое стало ясно. Неживые тела при попадании в трясину не изменяют своей формы и причины для их перепогружения отсутствуют. Такие тела трясина не засасывает, они, попав в трясину, останутся в состоянии недопогружения. А живые существа, попав в трясину, начинают бороться за свою жизнь, барахтаться, что сразу приводит к их перепогружению. Это и есть «засасывание». Ответ на вопрос, поставленный в самом начале, получен. Однако этого мало. Как же все-таки спастись, как использовать результаты данного рассмотрения для выработки практи ческих рекомендаций тем, кто попал в трясину.
Увы, но в этом направлении удается сделать гораздо меньше, чем хотелось бы. Если не рассматривать фанта­стических и полуфатастическнх проектов («мгновенно надувающийся воздушный шар, вытаскивающий человека из трясины», «вещество, вызывающее отвердевание болота»)   и т.д.), то ситуация выглядит безрадостной.

Можно ли спастись, попав в трясину?

Казалось бы, что если человек будет стараться вести себя, как неживой предмет (совершенно перестанет двигаться), то он сможет держаться на поверхности трясины сколь угодно долго. Такая надежда не оправдывается по одной простой причине: при всем своем желании человек не двигаться не может. Он должен дышать. Эта потребность приводит к необходимости изменять форму тела (при вдохе грудная клетка расширяется), поэтому состояние полной неподвижности оказывается для человека невозможным.
И человек, попавший в трясину, оказывается в исклю­чительно сложном положении. Не двигаться невозможно, а любое движение приводит к опусканию в перепогруженное состояние, из которого, назад дороги нет. Если учесть, что из-за все тех же бингамовских свойств плавать в трясине, как правило, нельзя, то для спасения остается только один путь — дотянуться до какой-нибудь твердой опоры: куста, дерева, твердой кочки, крепкого травяного покрова. Никаких других способов предотвратить заса­сывание авторы предложить не могут.
Разумеется, можно дать некоторые самые общие реко­мендации, которые позволят замедлить процесс погруже­ния в трясину.
I. Старайтесь не испугаться и не делайте резких хаотических движений.
2. Хладнокровно оцените ситуацию и выберите бли­жайшую точку, которую можно использовать как опору.
3. Помните, что всякое движение ведет к перепогружению и поэтому двигаться надо осторожно и целенаправ­ленно.
4. Старайтесь меньше шевелить ногами.
Еще раз повторим, что попытка следовать этим советам может только замедлить процесс погружения, но не может предотвратить его. Поэтому лучший совет, который можно дать,— избегайте болот. Вы уже достаточномного знаете о том, насколько опасна трясина.
Если же по каким-то причинам возникла необходи­мость пересечь болото, то не ходите в одиночку. Идите с напарником. Вырубите себе шест — им удобно проверять надежность почвы на своем пути, а кроме того, он может сыграть роль твердой опоры, если вы неожиданно провалитесь.
Профессионалы — геологи, геодезисты, биологи — и опытные туристы по местоположению болота и его внеш­нему виду довольно точно могут определить, проходимо болото или нет. Это — сложное искусство, здесь очень важен лич­ный опыт. Однако самые общие признаки болот раз­личной проходимости привести целесообразно.

Болото пройти можно:
1)   если   его   покрывают   густые   травы   вперемежку с осокой;
2)  если на болоте видна поросль сосны;
3)   если болото покрыто сплошной порослью мха и толстым слоем (до 30 см) очесов — старого, разложившегося мха.

Болото пройти трудно:
1) если на нем среди мха попадаются частые лужицы застойной воды;
2) если на болоте растет пушица — трава, на которой после цветения остаются, подобно одуванчикам, головки пуха;
3) если болото поросло кустарником, ивой, ольхой, елью или березой.

Болото пройти невозможно:
1)   если оно покрыто камышом;
2)   если по болоту плавает травяной покров.
Тем не менее, старайтесь по возможности вообще избегать болот. После знакомства со свойствами трясины относиться к этому совету следует с полной серьезностью.

НА ГЛАВНУЮ | О проекте | Гостевая книга | Живые новости

Copyright © 2009 OTLICHNIKI.SU