Сергей Зимов - Азбука рисунков природы

• Название: Азбука рисунков природы
• Автор: Сергей Зимов
• Издательство: Наука
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1993
• ISBN: 5-02-003811-3

Почему сетка трещин похожа на сеть городских улиц, а прожилки зеленого листа на речную систему? Как возникает ячеистый рисунок на шкуре жирафа и почему он похож на конвективные ячейки? Есть ли у природы универсальный принцип, обеспечивающий появление упорядоченных форм? Если Вы хотите узнать ответы на эти вопросы, увидеть шедевры природной графики, научиться понимать язык рисунков и конструировать пространственные структуры, если Вам интересна проблема «порядок из хаоса», прочтите эту книгу.

Для широкого круга читателей.

---

Внимательно перечитаем все моменты процитированных выше положений теории.

Обоснование закона перпендикулярности начинается с утверждения, что образовавшиеся трещины способствуют охлаждению массива, поэтому поверхности равных температур параллельны трещинам. Но ширина морозобойной трещины даже в самой широкой верхней части обычно измеряется миллиметрами. Она в большинстве случаев перекрыта толщей снега, часто забита кристаллами сублимационного льда, т. е. воздухообмен и, следовательно, теплообмен в ней крайне затруднены. Это, очевидно, и подтверждается натурными наблюдениями[5].

Следующая фраза в обосновании закона перпендикулярности: «Так как напряжения прямо пропорциональны градиентам, наибольшие напряжения должны развиваться в направлениях наибольших градиентов температуры...» Но градиент отмечается по вертикали — от холодной поверхности вглубь. Однако никаких напряжений, кроме сжимающих, от веса самого массива в этом направлении нет и быть не может. Свободная горизонтальная поверхность массива их неизбежно разгружает. То, что поверхностные напряжения пропорциональны градиенту температуры, следует из приведенной выше формулы Б. Н. Достовалова, но это неверно, как неверна и сама формула. В последующем мы приведем решение задачи, поставленной Б. Н. Достоваловым, пока же обратим внимание: из его формулы следует, что с удалением от края бруска напряжения линейно возрастают, поэтому если брусок очень тонкий и очень прочный, то даже при ничтожном, но очень быстром охлаждении его поверхности появится большой температурный градиент и на большом удалении от края бруска возникнут очень большие напряжения. На самом же деле, по закону Гука, растягивающие температурные напряжения в бруске не могут превысить величины σx = EαΔt, где E — модуль упругости. В упругой среде, рассматриваемой Б. Н. Достоваловым, они определяются в первую очередь перепадом температуры, а не скоростью охлаждения (стальные телеграфные провода рвутся не из-за того, что в них возникают температурные градиенты, они ничтожны, а просто в результате охлаждения). В итоге же, после всех этих ошибочных и не следующих одно из другого утверждений следует правильный вывод, что полоса между двумя параллельными трещинами разбивается поперечными трещинами. Но никакие «мерзлотные» обоснования для объяснения закона перпендикулярности не нужны. Вполне было достаточно сказать, что в полосе между двумя параллельными трещинами, зоны разгрузки которых перекрываются, в перпендикулярном им направлении происходит разгрузка напряжений, и при последующем снижении температуры новая трещина в этой полосе может пойти лишь перпендикулярно первоначальным трещинам, так как в этом направлении напряжения разгружены лишь частично.

Теперь процитируем еще раз обоснование закона параллельности: «При однородности материала расстояния от первой трещины, на которых напряжения достигают предельных значений, будут одинаковы и, следовательно, вторая трещина пойдет параллельно первой». То, что ширина зоны разгрузки в однородной среде вдоль трещины должна быть одинаковой, понятно. Но почему вторая трещина пойдет параллельно первой? В этой фразе вообще нет никакого обоснования! Что из этого следует? Поясняем: есть протяженный однородно напряженный массив. Где и в каком направлении образуется здесь первая трещина? В любом, все равновероятно, везде и во всех направлениях напряжения близки к критическим. После заложения первой трещины в окружающем ее пространстве происходит разгрузка напряжений, они становятся ниже критических. Естественно, что новая трещина в этой полосе уже образоваться не может. Но что при этом происходит за пределами полосы разгрузки? Здесь ничего не меняется, так как за пределы зоны разгрузки влияние первой трещины не распространяется. Здесь, так же как и до образования первой трещины, напряжения везде близки к критическим, следовательно, следующая трещина может возникнуть также где угодно и в любом направлении. Возникнуть в направлении, параллельном первоначальной, на краю ее зоны разгрузки и пойти вдоль нее трещина может лишь случайно. Вслед за второй, также в случайных местах и в случайных направлениях, за пределами зон разгрузок будут возникать и последующие трещины. При заходе их вершин в зону разгрузки другой трещины они попадают в полосу с анизотропными свойствами. Возле трещины значимы лишь напряжения, ориентированные вдоль нее. Трещина движется в направлении, перпендикулярном направлению максимальных растягивающих напряжений, поэтому она, заходя в зону разгрузки другой трещины, разворачивается в перпендикулярном ей направлении. Новые трещины, зарождаясь почти одновременно (весь массив одинаково напряжен), быстро перекроют его своими зонами разгрузки. Без дальнейшего снижения температур образование новых трещин станет невозможно. В итоге возникнет сеть, подобная приведенной на рис. 4.

Рис. 4

Таким образом, наблюдаемая в природе параллельность морозобойных трещин из теории Б. Н. Достовалова не следует. Теория констатирует этот эмпирический факт, ничего не объясняя («за первой трещиной параллельно ей следует вторая»). Тем не менее ее изложение есть во всех учебниках. А если из литературы извлечь все критические замечания в адрес теории, то не наберется и десятка фраз. Причина живучести этой теории, наверно, в том, что другой, объясняющей появление в однородной среде строгой прямоугольной решетки, просто нет. Складывается странная ситуация: в основе взаимодействия трещин лежат всего несколько простых закономерностей, их рисунки также несложны, а теории нет. В чем причина?

Рис. 5

Рис. 6

Привлечение математического аппарата проблему пока не решает. Трудности здесь в том, что каждый вновь появившийся элемент решетки меняет граничные условия, меняет поля напряжений, и всю задачу приходится формулировать по-новому. Натурное моделирование? Морозобойное растрескивание трудно воспроизвести на модели, а наблюдения за формированием трещин в природе единичны. Но есть аналог — это трещины усыхания. Отличие лишь в том, что при морозобойном растрескивании трещины образуются в результате сжатия поверхности при охлаждении, а трещины усыхания — следствие усадки поверхности при испарении влаги.

Рис. 7

Рис. 8

Образование трещин на илистом дне высохшей лужи приходилось наблюдать, наверно, каждому. Если вы живете в старом многократно ремонтированном доме, то у вас всегда найдется объект для изучения рисунков. Трещины усыхания «очень любят» появляться на поверхности старой краски. Даже на тщательно охраняемых полотнах старых мастеров, если к ним подойти совсем близко, можно увидеть второй рисунок — рисунок трещин (кого считать его автором?)

Трещины усыхания легко моделировать. И, кажется, стоит только этим заняться, и мы все поймем. Но проведем такой эксперимент. Из порошка мела разведем жидкую однородную пасту и разольем ее одинаковыми порциями, одинаковым слоем в несколько одинаковых круглых гладких плоскодонных чашек. Поставим их рядом сохнуть на горизонтальную поверхность, и через несколько часов в разных чашках можем увидеть... совершенно разные рисунки (рис. 5—8). Все было одинаково, а чашки не просто чистые, но стерильные — из заводской упаковки. Результаты, как видим, интересные и непонятные (непонятные пока, к концу «Азбуки» все станет ясно).

Но вернемся к морозобойным решеткам на берегу реки. Если бы нам удалось разработать подробнейшую математическую модель или обеспечить абсолютную повторяемость опытов моделирования, исчерпывающее решение для речных решеток все равно найдено не было бы. Причина этого в том, что неверна традиционная постановка задачи, а именно — рассматривается массив с какими-то свойствами, границами и рассчитывается решетка, которая на нем возникает. Такая постановка большинству природных объектов не соответствует.

Реки, озера и другие художники Севера

Рассмотрим такой пример: представим какую-нибудь северную реку, выберем однородный мерзлый пойменный массив, ограниченный относительно крутым берегом реки. Допустим, что климат не очень суровый и морозобойное растрескивание не происходит. Но вдруг климат изменился, похолодало — и массив растрескался (пока это традиционная постановка). При этих условиях должен появиться рисунок, похожий на рис. 9, а. В этом примере есть берег реки, он разгружает край массива, и трещины к нему должны подходить под прямым углом.

А теперь вспомним, что любая равнинная река все время смещается, ее русло на излучинах подмывает один берег и намывает другой. Река постоянно обновляет поймы в своей долине. Значит, она должна постоянно обновлять и морозобойные рисунки. Зададим, что этот берег намывной, линия берега смещается и массив плавно наращивается. Климат уже изменился, и каждую зиму массив будет подвергаться растрескиванию. При этом трещины пойдут по тем же ослабленным местам, повторяя прежний рисунок. Проникнут они и во вновь намытую и уже промерзшую полосу берега, естественно, под прямым углом к нему (см. рис. 9, б). Через ряд лет берег еще больше сместится и в пределах вновь намытой полосы за счет повторного растрескивания сформируется система перпендикулярных берегу протяженных трещин, параллельных между собой. Берег как бы тянет за собой сеть трещин. Или трещины как бы все время тянутся вслед за отступающим берегом.