Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Почему на высохшей грязи появляются трещины? Как правило, такие трещины сначала перпендикулярны друг другу. Почему затем из этих трещин могут образоваться многоугольники (тогда грязь будет напоминать кафельный пол) и почему иногда края такого многоугольника заворачиваются вверх? Бывает, что верхний слой грязи сворачивается в трубочку, отрывается и укатывается в сторону.

Почему иногда после дождей на дне пересохших водоемов образуются гигантские многоугольники? Они могут достигать 300 м в диаметре, а образующие их разломы имеют до метра в ширину и до пяти метров в глубину.

ОТВЕТ • Плоский слой грязи начинает высыхать с поверхности. При этом верхний слой грязи сжимается и в нем возникают механические напряжения. Выделим на поверхности высыхающей грязи какую-то область. Ей бы надо сжаться, но ее растягивает окружающая грязь. Однако низ высыхающего слоя грязи удерживается на месте находящейся под ним почвой. В случайных точках на поверхности грязи напряжения становятся настолько большими, что поверхность растрескивается, уменьшая тем самым напряжения. Такие трещины затем растут и в длину по горизонтали, и вертикально вниз. Там, где развивающаяся трещина подходит к уже существующей трещине, поверхностные напряжения ее разворачивают так, чтобы трещины пересеклись под прямым углом (рис. 4.9a), поскольку максимальные напряжения, раскрывающие трещину, направлены параллельно уже существующей трещине. После завершения начальной стадии формирования трещин развивается вторичная система трещин на грязи. Эти трещины начинаются как прямые линии, но затем, углубляясь, они начинают ветвиться (расщепляться), как показано на рис. 4.9б. В зависимости от скорости, с которой высыхает грязь, пересечение вторичных трещин с трещинами, образовавшимися на первой стадии, приводит к делению высыхающей поверхности грязи на многоугольники.

Рис. 4.9 / Задача 4.68. a) Развивающаяся трещина пересекается под прямым углом с уже существующей трещиной. б) Развивающаяся трещина разветвляется и завершает образование многоугольника.

Если верхний тонкий слой многоугольника из грязи высыхает быстро, он сжимается. Сжатие может привести к заворачиванию краев этого слоя вверх, так что сам он становится вогнутым. Когда края слоя поднялись, слой начинает сохнуть снизу. В результате он может вообще скрутиться в трубку. В редких случаях верхняя поверхность грязевых многоугольников сохнет медленнее, чем нижняя, соприкасающаяся с грязью. Такое возможно, например, когда вода из грязи быстро стекает по склону. Тогда края многоугольника могут завернуться вниз.

Похоже, гигантские многоугольники образуются по тем же причинам, что и небольшие грязевые многоугольники.

Трещины и многоугольники на грязи — примеры растрескивания, вызванного усыханием (высушиванием). Можно привести много других примеров, например усыхание краски, смеси кукурузного крахмала с водой или смеси кофе с водой. Если провести эксперименты со смесью воды с крахмалом или кофе, обнаружится, что характерный размер многоугольника зависит от толщины слоя. Чем тоньше слой, тем меньше многоугольник. Если же слой становится совсем тонким, вместо многоугольников образуются мелкие, расположенные хаотично трещинки. Можно изменить «узор» из трещин, смазав жиром дно контейнера с высыхающей смесью, что уменьшит трение между смесью и контейнером. А чем меньше трение, тем меньше возникающие напряжения и тем меньше образуется трещин.