CC BY
12
Приборы для быстраго и достаточно точнаго опредѣленія удѣльнаго вѣса льда и сопротивленія его на изломъ.
Б. П. Вей н берга.
1. Въ половинѣ марта 1911 г. комиссія по предупрежденію наводненій при Томскомъ городскомъ общественномъ самоуправленіи обратилась ко мнѣ въ лицѣ ея предсѣдателя, Е. Л. Зубашева, съ просьбою выработать программу и методы наблюденій, которыя могли бы дать матерьялъ для предсказаній срока наступленія ледохода и интенсивности его и вызываемыхъ имъ наводненій. За малостью времени, остававшагося (предположительно) до ледохода этого года, я рѣшилъ использовать его лишь для выработки методовъ, которые по* зволяли бы слѣдитъ за послъдовательными — по мѣрѣ приближенія ледохода —измѣненіями нѣкоторыхъ физическихъ свойствъ льда, характеризуемыми въ обыденной рѣчи словомъ „разрыхленіе". Такими свойствами льда мнѣ казались удѣльный вѣсъ и сопротивленіе его на разломъ,—и я, сдѣлалъ попытку выработать методы и сконструировать простые приборы, которые позволяли бы быстро и достаточно точно опредѣлять эти величины для ряда куекоѣъ льда, взятыхъ на различномъ разстояніи отъ его свободной поверхности.
2. Такъ какъ врядъ ли можно было ожидать, чтобы измѣненія удѣльнаго вѣса были значительными, то естественно было прибѣгнуть къ методу варіаціоннаго типа. Такимъ методомъ представился мнѣ способъ, который явился бы соединеніемъ всплыванія съ методомъ гидростатическаго взвѣшиванія: была бы взята жидкость, не дѣйствующая на ледъ и лишь слегка уступающая ему по удѣльному вѣсу, и опредѣленію подлежалъ бы при каждомъ испытаніи, кромѣ вѣса куска льда, тотъ небольшой „кажущійся" вѣсъ, который испытуемый кусокъ имѣлъ бы въ этой жидкости. Способъ этотъ1) позволяетъ произвольно далеко увеличивать точность: если пользоваться для опредѣленія небольшого вѣса льда въ жидкости болѣе чувствительными вѣсами, чѣмъ для опредѣленія вѣса самого куска, то точность опредѣленія удѣльнаго вѣса куска льда почти равна точности опредѣленія удѣльнаго вѣса жидкости.
Въ самомъ дѣлѣ, называя чрезъ х удѣльный вѣсъ льда, чрезъ Д— удѣльный вѣсъ жидкости, чрезъ о —удѣльный вѣсъ воздуха въ ѵсло-
J) Подробнѣе описанъ въ Журн. Русск. Физ.-Хнм. Общ., т. 43, 1911, стр. 338—339,
"віяхъ опыта, чрезъ Р— вѣсъ куска льда въ воздухѣ, а чрезъ р куска льда въ жидкости, имѣемъ:
Г _ г - о Р — р ~ Д — О '
Отсюда, принимая во вниманіе, что р мало въ сравненіи съ Рг находимъ послѣдовательно
ж = (Л — о) р____^ + 5 = (А — о) -- о = (Д — о) (1 -f- ^ -f-
+ с = Д +- р (Д - 3). (2)
Удобною жидкостью оказалась смѣсь —приблизительно равныхъ па вѣсу частей—-русскаго скипидара (oleum terebenthinae rossicum) и льняного масла (oleum lini recens), но, такъ какъ обильные пузырьками воздуха куски льда изъ верхнихъ слоевъ бывали легче этой смѣси, то, хотя нагрузка ихъ добавочными гирями и не представляетъ значительныхъ усложненій, лучше, пожалуй, для такихъ кусковъ будетъ пользоваться смѣсью изъ двухъ частей льняного масла и одной части скипидара.
Опытъ показалъ, что даже два сосѣднихъ куска одного и того же слоя могутъ давать разности въ удѣльномъ вѣсѣ, достигающія иногда до тысячной. Поэтому я счелъ достаточною точность въ 5 десятитысячныхъ—тѣмъ болѣе, что измѣненіе температуры на 1° вызываетъ измѣненіе удѣльнаго вѣса смѣси скипидара и льняного масла приблизительно на 7 — 8 десятитысячныхъ, а поддерживать и измѣрять температуру въ предполагаемыхъ условіяхъ опыта—на рѣкѣ или вблизи нея —врядъ ли возможно точнѣе, чѣмъ до 0о,2.
Такая точность легко достижима, и, слѣд., оставалось осуществить второе условіе: быстроту измѣренія при этой степени точности. Для этой цѣли я предположилъ пользоваться не рычажными, а пружинными вѣсами, точность которыхъ —при условіи достаточно малой разности удѣльнаго вѣса льда и выбранный жидкости—вполнѣ достаточна.
3. Окончательно я остановился на слѣдующемъ наборѣ приборовъ. Для взвѣшиванія куска льда на воздухѣ примѣнялись пружинные вѣсы съ предѣльною нагрузкою въ 5 кгр. и дѣленіями въ 100 гр., допускавшими отчетъ съ погрѣшностью въ 10—20 гр. (рис. 1, слѣва), йзq льда выпиливался кусокъ квадратнаго сѣченія (сторона около 20 см.)
—вѣсъ
о
по всей толщѣ куска; этотъ кусокъ перепиливался на куски сантиметровъ въ 12—15 толщиною, и имъ придавалась—финскимъ ножомъ — приблизительно цилиндрическая форма (діаметръ—см. 18). Такой кусокъ вѣсилъ 3-4 кгр, и, слѣд., достаточно было нѣсколькихъ десятковъ секундъ, чтобы опредѣлить вѣсъ его въ воздухѣ съ погрѣшностью, во всякомъ случаѣ, не превышающею 1°/0.
Рис. 1.
Для взвѣшиванія такого куска льда въ смѣси скипидара и льняного масла служили пружинные вѣсы съ предѣльною нагрузкою въ 100 гр. и дѣленіями въ 5 гр., допускавшіе отчетъ съ точностью около 1 гр. Чашка, какъ у этихъ, такъ и у тѣхъ вѣсовъ, представляла кольцеобразную полоску алюминіевой жести (вѣсъ ея у этихъ вѣсовъ, съ проволоками, 33 гр.). Удѣльный вѣсъ изслѣдованныхъ кусковъ льда колебался отъ 0*906 до 0‘910, а удѣльный вѣсъ жидкости, температура которой въ различныхъ опытахъ измѣнялась между 2Э и 8°С., былъ около 0*909 при 0°, 0*903 —при .8е; вѣсъ же въ жидкости куска въ 3—4 кгр* (т. е. объемомъ въ 3300—4400 см.3) при разности удѣльныхъ вѣсовъ въ 0*001, составляетъ 3 — 4 гр. Отсюда ясно, что примѣненные пружинные вѣсы давали погрѣшность около 0*0002 ~ 0 0003 въ разности удѣльныхъ вѣсовъ льда и жидкости, что вполнѣ достаточно для намѣченной цѣли.
Замѣчу, что при произведенныхъ мною наблюденіяхъ эту погрѣшность превышала погрѣшность въ опредѣленіи самаго удѣльнаго вѣса
жидкости—за отсутствіемъ въ то время подходящаго ареометра достаточной чувствительности и за трудностью примѣненія вѣсовъ Мсра на открытомъ воздухѣ Имѣя же, напр., ареометръ со скалою 0*880— 0*940 и дѣленіями въ 0*0005 и подвергая испытанію куски льда 18 см. діаметромъ и 20 см. высотою —вѣсомъ около 4!/2 кгр.—, можно-, легко съ нашимъ наборомъ вѣсовъ опредѣлять удѣльный вѣсъ льда съ точностью до 0*0002.
4. Приведу въ таблйцѣ I результаты, полученные весною 1911 г. при изслѣдованіи двухъ кусковъ льда (поперечные размѣры около 70X70 см.2), которые взяты были съ р. Томи 23 марта (толщина безъ наста 70 см.) и 31 марта (толщина безъ наста 55 см) и сохранявшихся затѣмъ на дворѣ лабораторіи подъ слоемъ снѣга. Позже уже нельзя было вырубать ледъ, такъ какъ его поверхность была подъ водою, а 11 апрѣля ледъ пошелъ. Результаты, относящіеся къ различнымъ днямъ измѣренія, плохо сравнимы между собою, потому что составъ смѣси былъ не вполнѣ одинаковъ въ различное дни, а измѣренія вѣсами Мора — а сначала грубымъ ареометромъ — не позволяютъ ручаться болѣе, чѣмъ за 0*001.
Въ таблицѣ I приведены удѣльные вѣса кусковъ льда, вычисленные съ точностью до О'ОООі; первая строка даетъ день испытанія,
і
первый столбецъ —порядковый номеръ куска, если считать отъ сво-
>
6одной поверхности (верхней). ;
‘ Таблица I.
24.3 11 20.3.11 31.3.11 1.4.11 2.4.11
I 0 9111 0 8812 0-9100 0-8899 0-8747
II 0-9167 0 9131 0-9029 0 8752 08759
III 09151 0 9150 0-9160 09166 0-9137
IV 0-9180 0-9154 0 9110 0-9155 0 9092
V 0 9149 0 9160 09165 09208 0 9149
VI 0-9149 0-9157 ! — — —
Эти опредѣленія можно разсматривать лишь, какъ пробу предложеннаго мною способа, показавшую, между прочимъ, на необходимость пользоваться заранѣе охлажденною до 0е жидкостью: при нашихъ измѣреніяхъ температура жидкости сильно измѣнялась,—напр., 2.4.11 отъ 4°*5 въ началѣ измѣреній до 2°*7 въ концѣ ихъ, причемъ температура жидкости наверху сосуда и внизу его, несмотря па перемѣшиваніе путемъ подниманія и опусканія взвѣшиваемаго куска льда, различалась обыкновенно на 1°.--2°. Вс всякомъ случаѣ ясно, что первый привезенный кусокъ имѣлъ одинаковый удѣльный вѣсъ по всей толщѣ, но, постоявъ безъ достаточной защиты на воздухѣ, умень-
о
шилъ удѣльный вѣсъ верхняго слоя. Второй кусокъ сохранялся болѣе тщательно, и въ немъ замѣтно уступающею по удѣльному вѣсу, какъ въ первый, такъ и въ послѣдующіе дни, была верхняя часть, и на глазъ болѣе обильная пузырьками воздуха, чѣмъ остальная толща.
5. Для опредѣленія сопротивленія льда на изломъ нужно было сконструировать приборъ, въ которомъ избѣгалось бы въѣданіе опорныхъ частей въ разламываемый кусокъ Такъ какъ это въѣданіе стоитъ въ зависимости отъ того, что у льда температура плаванія понижается при увеличеніи давленія, опоры надо было сдѣлать изъ мате-рьяла съ плохою теплопроводностью. Поэтому я рѣшилъ устроить опорныя площадки деревяныя и притомъ—вращающіяся въ плоскости, въ которой прилагается ломающее усиліе. Рис. 2 представляетъ видъ построеннаго приборчика, оказавшагося весьма удобнымъ и требующимъ лишь добавленія приспособленія, которое позволяло бы закрѣплять неподвижно опорныя площадки (въ нашихъ опытахъ мыг передвинувъ ихъ на желаемое разстояніе отъ середины, удерживали ихъ затѣмъ отъ стремленія подняться вверхъ нажимомъ рукъ).
Рис. 2.
Приборъ состоитъ изъ деревяной рамки, на верхней доскѣ которой помѣщены пружинные вѣсы (отъ прибора Гопкинсона для опре-
’Ч
дѣленія магнитной проницаемости желѣза изъ отрыванія), растягива-
емыя при помощи вращенія находящейся наверху рукоятки. Изо льда выпиливался кусокъ призматической формы такъ, чтобы длина его была параллельна свободной поверхности льда на рѣкѣ, и ему придавалась правильная форма сначала обстругиваніемъ ножомъ, а затѣмъ опдавливаніемъ на маленькой мѣдной плитѣ, подогрѣвавшейся снизу парами воды. Кусокъ этотъ помѣщался между горизонтальною деревяною пластинкою, подвѣшенною къ пружинѣ вѣсовъ и давившею на испытуемый образецъ снизу, и двумя деревяными опорными площадками, давившими на образецъ сверху. Затѣмъ вращеніемъ рукоятки пружинные вѣсы растягивались и доводили образецъ до излома, при чемъ напряженіе въ моментъ излома легко можно было отсчитать съ точностью до 72 англійскаго фунта (скала вѣсовъ раздѣлена на ■полу-фу нты). Если же предѣльная тяга вѣсовъ (25 англ, фунтовъ) оказывалась недостаточною для разлома, образецъ вынимался, подшли-фовывался еще разъ на паровой мѣдной и литѣ, и опытъ повторялся.
Предѣльное напряженіе Т расчитывалось по формулѣ
3 И 2 ah*
(3)
гдѣ Р— тяга вѣсовъ въ моментъ разлома, I — разстояніе точекъ опоры, за которое принималось разстояніе осей спорныхъ площадокъ (отъ 23 до 30 см ), а — ширина бруска (отъ 2 до 4 см.), h — его вышина (отъ 2 до 3 Ѵ3 см.). Величины а и h измѣрялись деревянымъ штангенъ—циркулемъ въ нѣсколькихъ мѣстахъ образца.
6. Изъ перваго куска льда удалось подвергнуть опыту два образца (получилось Т — 8 0 и 9'9 кгр./см.2), такъ какъ приборъ былъ готовъ лишь 31 марта утромъ, а вскорѣ былъ привезенъ и второй кусокъ льда. Изъ второго куска 31 марта, 1 апрѣля и 2 апрѣля было изслѣдовано по четыре образца, которые вырѣзались изъ верхнихъ слоевъ, изъ среднихъ и изъ нижнихъ (два). Вычисленныя изъ результатовъ этихъ опытовъ значенія Т (въ кгр /см.2) сведены въ таблицѣ II.
Таблица II.
31.3.11 1.4. И 2.4.11
Верхній. 81 6 5 10 4
Средній. 126 13 1 152
Нижніе . ( 15'2 10 7 11*2
1 110 129 14*3
Отсюда видно, что трехдневное стояніе при теплой погодѣ подъ снѣгомъ не отразилось на предѣльномъ напряженіи, испытываемомъ
льдомъ, что наиболѣе прочными являются, повидимому, средніе слои (въ среднемъ Т— 13*0), которымъ, можетъ быть, нѣсколько уступаютъ нижніе (въ среднемъ Т= 12*7), но что верхніе слои, дѣйствительно, „рыхлѣе" остальной массы (въ среднемъ Т = 8*3).
При проектируемыхъ систематическихъ наблюденіяхъ желательно относительно каждаго слоя опредѣлять скорость его образованія, температурный градіентъ потока холода, обусловившаго его образованіе, и тогда можно будетъ попытаться отвѣтитъ на вопросъ, насколько 'быстрота образованія* ледяного покрова рѣки вліяетъ—ceteris paribus — :на его прочность.
7. Я рѣшилъ опубликовать даже эти отрывочныя данныя въ связи съ описаніемъ приборовъ, при помощи которыхъ они получены,—въ надеждѣ, что, можетъ быть, кто либо изъ лицъ, живущихъ вблизи рѣкъ, станетъ производить подобныя же наблюденія и опредѣленія и тѣмъ самымъ внесетъ новыя свѣдѣнія въ столь мало разработанный вопросъ, какъ удѣльный вѣсъ и сопротивленіе излому такого распространеннаго матерьяла, какимъ является рѣчной ледъ.
Томокъ, 7. 9. 11.
