Для остановки лавин по склонам гор устанавливают высокие, прочно укрепленные сзади стены. Но прежде чем лавина достигнет стены, необходимо значительно понизить ее энергию. Для этого на склоне горы выше стены устраивают лавинорезы, клинья, насыпи. Их цель — изменить направление движения лавины, подняв снег в воздух, наподобие того, как трамплин подбрасывает лыжника, выполняющего прыжок. Когда снег снова обрушивается на склон горы несколько ниже насыпи, он теряет большую часть своей энергии.

Когда склон горы не выдерживает и возникают большие оползни, обломки камней и почвы могут двигаться вниз даже по не слишком крутым склонам, а затем продолжать движение по плоской долине на расстояния до нескольких километров. Это так называемые оползни длинного выхода. Случается, что такие оползни пересекают долину между горами и поднимаются вверх по противоположному склону. Почему трение между соскальзывающей массой и дном долины или склоном горы не приводит к быстрой остановке такого оползня?

ОТВЕТ • Большинство специалистов сходятся на том, что большие оползни длинного выхода возникают потому, что оползень соскальзывает вниз по некоторому слою, играющему роль смазки. Есть много гипотез относительно того, что собой представляет этот слой. Распространено мнение, что это слой воздуха. Но представляется, что воздух достаточно быстро будет вытеснен из-под массы соскальзывающей породы. И, кроме того, такой механизм не позволяет объяснить, почему подобные оползни бывают и на Луне.

По-видимому, наиболее правдоподобно следующее объяснение: оползень движется по тонкому слою маленьких колеблющихся осколков, включая и те, которые он сам соскребает с земли на своем пути. Такие колеблющиеся осколки ведут себя подобно шарикам в подшипнике, что позволяет объяснить две отличительные черты этих оползней: 1) почти не нарушается исходная слоистость сошедшей породы; 2) оторванные от земли обломки могут содержать воду, играющую роль дополнительной смазки и обеспечивающую еще большую дальность выхода оползня.

Камнепад — падение каменных глыб или массы камней со склона горы, обычно с крутого обрыва. Почему же камни падают и чем определяется место, где они останавливаются? Почему, когда при камнепаде со склона скатывается большое количество камней, они распределяются по размерам: более крупные камни оказываются у подножия горы, а камни меньшего размера останавливаются выше?

В июле 1996 года в национальном парке Йосемити, недалеко от места, которое называется Хэппи-Айлс, последовательно, один за другим, произошли два крупных обвала гранитной скалы. Каждый из обломков, соскользнув с крутого склона, продолжил двигаться как снаряд и упал на землю примерно в 550 м от скалы. Удар вызвал сейсмические волны, зарегистрированные на расстоянии 200 км от места происшествия. Однако последствия этих обвалов оказались еще удивительнее. Более 1000 деревьев было повалено или сломано на расстоянии 300 м от места падения обломков, мост и закусочная стерты с лица земли, один человек погиб и еще несколько пострадали. Как гранитные обломки могли привести к таким разрушениям?

ОТВЕТ • Большинство камнепадов происходит из-за эрозии горных пород. Во-первых, расщелины, в которых вода скапливается, расширяются и углубляются при ее замерзании, поскольку вода, превращаясь в лед, увеличивается в объеме. Во-вторых, эрозия может происходить благодаря химическим процессам, особенно в условиях повышенной влажности. Эрозии подвержены любые скалы, но камнепады случаются только тогда, когда трещина выходит на поверхность крутой скалы. Какое-то время кусок скалы рядом с углубляющейся трещиной продолжает держаться, но наступает момент, когда его связь с остальной скалой оказывается недостаточной, и происходит обвал.

В зависимости от обстоятельств обломок скалы может упасть, пролетев какое-то расстояние по воздуху, несколько раз стукнуться о достаточно крутую скалу, скатиться, переворачиваясь, если крутизна не слишком велика, или соскользнуть вниз по отлогому склону. Во всех этих случаях обломок теряет большое количество энергии при столкновении с землей. Он теряет энергию и при столкновении с деревьями, поэтому для защиты от камнепадов часто устраивают лесополосу.

Когда в камнепад вовлечено большое количество разных обломков, они распределяются по размерам вдоль склона горы: большие обломки скатываются к основанию скалы, тогда как меньшие застревают в трещинах, углублениях и так далее. Обычно вблизи вершины остаются мелкие камешки, а большие валуны останавливаются у подножия горы. При некоторых камнепадах оторвавшиеся первыми обломки приземляются невероятно далеко от скалы, гораздо дальше других камней. По-видимому, это связано с тем, что они получают энергию от удара сзади от других катящихся и летящих обломков.

При камнепадах в национальном парке «Йосемити» падение каждого из обломков вызывало взрывную воздушную волну, то есть волну давления, распространяющуюся по воздуху от места удара. Последствия падения второго, в три раза более тяжелого обломка были катастрофическими. Скорость ветра, бушевавшего среди деревьев, достигала 120 м/с. На самом деле взрывная воздушная волна от второго обломка была сверхзвуковой (ударной) волной, поскольку пыль, поднятая первым обломком, уменьшила скорость звука от нормального значения, равного 340 м/с, примерно до 220 м/с. Вблизи места падения воздушная волна распространялась со скоростью, превышающей 220 м/с, следовательно, быстрее звука.

Что заставляет колыхаться флаг на флагштоке даже при умеренном ветре? Почему колышется листок, поднесенный к вентилятору?

Почему, если подбросить в воздух частично размотанный рулон туалетной бумаги, его свободная часть быстро приобретает волнообразный вид?

ОТВЕТ • Пусть плоскость флага составляет некоторый угол с направлением потока воздуха, так что воздух давит на одну из его сторон. Давление воздуха или расправит флаг, ориентируя его по направлению потока воздуха, или изогнет полотнище. Если скорость воздуха превысит некоторое критическое значение, этот изгиб станет нестабильным и флаг начнет развеваться.

Часто полоскание флага на ветру связывают с образованием вихрей. В самом деле, когда ветер просто расправляет флаг или заставляет его трепетать, свободный конец полотнища порождает вихри. Это означает, что образуются вихри, закручивающиеся попеременно вправо и влево и двигающиеся вместе с потоком воздуха (рис. 2.36). Вихри интенсивнее, когда флаг развевается, но они есть следствие, а не причина колыхания флага. Такие вихри формируются даже в том случае, когда мы имеем не флаг, а жесткий лист, который не развевается.

Рис. 2.36 / Задача 2.117. Образование вихрей, закручивающихся попеременно вправо и влево от плоскости флага.