Азбука рисунков природы - Зимов Сергей Афансьевич. Страница 21

На материалах со средними значениями коэффициента Пуассона возможно и то, и другое. Но обычно боковые притоки отходят от трещин лишь на их крутых поворотах, а трещины, заходящие в зону разгрузки другой трещины, часто вязнут и не доходят до нее. Это главные особенности взаимоотношения трещин отрыва. И еще — одна трещина не может пересечь другую.

Анализ абстрактных рисунков мы начали с рисунков, появившихся в резко анизотропном поле. Примером развития рисунка трещин усыхания в таком поле может быть обычная сырая доска, лежащая под лучами жаркого солнца. На ней из-за резкой анизотропности прочностных свойств будут развиваться только продольные трещины. Если ту же доску бросить в костер и дать ей обуглиться, то на поверхности угля мы можем увидеть тетрагональные сетки трещин, соответствующие схеме, изображенной на рис. 71, 72, а схемы рис. 78—80 можно наблюдать на срезе бревна. То есть степень анизотропности древесного угля меньше, чем продольного среза дерева. Такие же рисунки, как на схемах 71, 72, мы можем увидеть и на комбинированных средах (доска, покрытая слоем старой масляной краски). Здесь анизотропность доски задает направление генеральных трещин на краске, они идут вдоль волокон дерева. Но если мы будем рассматривать трещины на узких окрашенных деревянных брусках, то здесь генеральные трещины будут идти поперек древесных волокон, потому что грани бруска разгружают поперечные растягивающие напряжения. Если брусок пошире, то у краев трещины будут его пересекать, а ближе к центру пойдут вдоль (рис. 124), как на реальном рисунке (балконная дверь).

А теперь попытаемся промоделировать развитие рисунка в изотропном поле. В этой ситуации трещина движется в сторону больших значений напряжений и, зародившись на вершине потенциального рельефа, она стремится вернуться к ней. Возьмем круглую чашку и нальем в нее однородную пасту мела. При ее высыхании должны появиться напряжения, одинаковые во всех направлениях. Но мы уже проводили этот эксперимент (см. рис. 5—8) и в итоге получили различные рисунки. Если мы полистаем абстрактные разделы азбуки, то найдем подобные рисунки в разделе «Прямоугольные решетки». Это анизотропные условия. И действительно, паста мела лишь кажется изотропной. Когда мы выливали пасту в чашки, то при ее растекании частицы мела неизбежно приобретали упорядоченную ориентировку, в результате свойства массива стали анизотропными. Для того чтобы паста, вылитая в кювету, легла ровным слоем, ее приходится разравнивать. В первом случае пасту немного постукивали о стол (см. рис. 5). При этом массив не приобрел макроанизотропных свойств, но на локальных участках сохранилась анизотропность, полученная при движении пасты во время первоначального растекания. Во втором варианте (см. рис. 6) чашки несколько раз наклоняли из стороны в сторону, в третьем (рис. 7) — их покачивали, проворачивая вокруг оси, а в четвертом — паста разравнивалась за счет легкого постукивания по ее поверхности в центре чашки. Все эти движения запечатлелись в порогово-потенциальном поле и проявились в рисунках. И чем более однородны условия, тем с большей вероятностью проявляется малейшая анизотропность.

Рис. 124

Заставить трещину двигаться в сторону больших значений потенциала можно, лишь создав сильные градиенты напряжений. Иначе трещина «увидит» анизотропность напряжений раньше, чем их градиент. Паста мела для этой цели — неудачная среда. Мел обладает высокой гигроскопичностью, поэтому резкую границу фронта усыхания (высокие латеральные градиенты влажности и напряжений) здесь создать трудно; даже при локальном нагреве массива высокое испарение в этом месте компенсируется быстрым подтягиванием влаги из соседних областей. В результате резкую смещающуюся границу структурообразования получить в этой среде трудно.

На рис. 125 показана структура, появившаяся на пасте мела, зажатой между двух стекол. Влага отсюда уходила только через боковой периметр, но и в этом случае резкий фронт усыхания не возникал. Некоторые трещины вырывались к центру структуры и быстро «нащупывали» анизотропность, связанную с растеканием пасты при сдавливании стеклами.

На рис. 126 видим результаты моделирования при наименее анизотропных условиях — сухой порошок мела насыпался в воду через сито без всякого перемешивания. Трещины здесь зародились на двух вершинах очень пологих холмов потенциального рельефа. Это первые трещины, в последующем, по мере роста напряжений, появились и другие.

Изотропное поле можно создать, напылив пасту из пульверизатора. На рис. 127 видна структура трещин, появившаяся на поверхности эмали, напыленной на гладкий металл. Развивались эти структуры в режиме смещающейся границы. Зарождались трещины большей частью на выпуклой стороне других трещин (здесь наибольшая концентрация напряжений) и тут же стремились развернуться назад.

Многие природные рисунки, связанные с трещинами усыхания, возникают путем многократного повторного растрескивания. При обводнении массива полигоны разбухают, трещины заплывают, закрываются, но рисунок в виде канавок сохраняется. При последующем высыхании водоема трещины в большинстве случаев образуются по этим канавкам, но зачастую в другой последовательности. При этом если вторичная трещина в Т-образном сочленении образуется первой, то она пересекает канавку и в итоге формируется крестообразное сочленение ( + ). Заплывшая трещина ослабляет массив, но не разгружает напряжения, поэтому новая трещина при подходе к ней под углом не разворачивается и не меняет направление — формируется Х-образное сочленение трещины и старой канавки.

Рис. 125

Рис. 126

Рис. 127

При моделировании процесса многократного повторного обводнения и растрескивания массива в итоге получается рисунок канавок «более округлый» по сравнению с первоначальной сетью трещин и с более выдержанными по размерам полигонами, так как канавки, разделяющие небольшие полигоны, повторно не трескаются и заплывают. В итоге рисунок немного приближается к энергетически выгодному гексагональному.

Тройное, близкое к равноугольному, сочленение чаще всего возникает в массивах с мезонеоднородным полем напряжений — при «бугристо-западинном потенциальном рельефе» (см. рис. 84). Такой рельеф может возникнуть даже в однородных средах при быстром промачивании массива, когда верхний слой набухает и препятствует выходу воздуха из нижележащих горизонтов. При этом возникает ситуация «гравитационной неустойчивости», при которой встречные потоки влаги и воздуха формируют подобие конвективных ячеек, в последующем трещины огибают эти ячейки. При моделировании трехлучевые сочленения часто возникают в местах, где в среде были зажаты пузырьки воздуха.

Ширина зоны разгрузки вокруг трещин первой генерации зависит от их глубины: чем она больше, тем больше размер решетки. В рассмотренной нами модели глубина трещин задана глубиной слоя пасты мела. Мели же мощность деформируемого слоя велика, то глубина трещин зависит от вертикального градиента напряжений. Чем больший слой материала напряжен (чем меньше градиент напряжений), тем глубже проникнет трещина.

В первом приближении для трещин усыхания можно принять, что они проникают до глубины, на которой отсутствуют растягивающие напряжения. Если эта граница со временем опускается, то и трещины углубляются. В случаях, когда трещины имеют возможность неограниченно углубляться, получить на поверхности трещины второй генерации трудно. Поэтому, если мы в природе, например на мощных илистых отмелях, видим рисунок, состоящий из трещин разных размеров, то это чаще всего одна генерация, у которой некоторые трещины в режиме конкуренции увеличили свою глубину и ширину.