Зима - волшебное время, которое известно своими чудесами в виде снега и льда под ногами. Многие детские зимние игры связаны с ними: катание на санках и на коньках, снежки, изготовление снеговика. Однако при выходе на лед существует опасность, что он недостаточно прочный. Как можно измерить его прочность? Цветом! Если знать, какого цвета прочный лед, то на вид можно определить, подстерегает ли опасность человека на этом участке или здесь безопасно.

Цвет льда в океане

Несмотря на общепринятое заблуждение, что различные оттенки появляются из-за примеси в воде каких-либо веществ, лед имеет свой цвет, как и снег. Так, корочки льда в океане, которые не перенесли ни одного лета, имеют белый цвет. Почему? Потому что вода там неспокойная и при замерзании внутри оказываются тысячи пузырьков воздуха. Они обеспечивают белый цвет молодому льду и служат опознавательным знаком.

А какого цвета лед, который пережил зиму? После того как прошла зима, корочка начинает подтаивать и снова замерзает к следующей зиме. Верхний слой уже не имеет пузырьков и с каждым годом плотного льда становится больше и больше. Он приобретает голубой оттенок, а совсем старый - синий и лазурный цвет.

Какого цвета бывает лед?

Цвет меняется в отличие от плотности. К примеру, первый лед, как паутинка - тонкий и прозрачный. Он не имеет цвета и сразу заметно, что он опасен, зато красивый. Подтаявший или же недостаточно плотный - желтый. Это не яркий цвет, а только соломенный оттенок, однако он заметен.

Зеленый цвет приобретает лед, когда вода замерзла уже давно. Часто это зависит от самого цвета воды, но бывает из-за преломления света или состава льда. Кроме того, еще одним ответом на вопрос о том, какого цвета лед, можно считать именно белый. Нередко зимой можно увидеть белые участки на замерзших лужах. Это тонкая корочка, сплошь состоящая из пустот в виде пузырьков с воздухом. Ну а еще - синий, более глубокий оттенок, так любимый художниками. Он присущ льдинам на глубине.

Какого цвета самый прочный лед?

Самыми надежными считаются два цвета: зеленый и синий. Размышляя над тем, какого цвета лед, нельзя принимать во внимание только яркие оттенки этих цветов. Это важно учитывать. Если лед неестественно яркий, есть все основания полагать, что это не его цвет. Или что-то было в воде и могло при замерзании повлиять на качество льда или же было пролито после замерзания, что также могло повлиять на его плотность.

Думая о том, какого цвета лед, нужно проявлять не только исследовательскую любознательность, но и применять знания на практике: вовремя заметив человека на небезопасном участке, нужно вытащить его оттуда. Еще полезнее - знать, как действовать, когда человек, не рассчитав толщину льда, провалился под тонкую корочку замерзшей воды.

Таким образом, лед можно назвать удивительным состоянием воды. Он дарит не только удивительные ощущения при катании на нем, но и радует глаз, позволяет развить осторожность и заставляет относиться к нему как к опасной стихии. Потому знания о том, какого цвета прочный и слабый лед, помогают сохранить жизнь себе и тем, кто оказался в опасной ситуации.

Как только водоемы покрываются коркой льда, тут же появляется целая армия ценителей зимнего экстрима - рыболовы, туристы, любители съехать с гористого берега реки на санках или желающие превратить часть реки или пруда в каток. Автолюбители тоже не дремлют: наконец-то им не нужно добираться до ближайшего моста или переправы, ведь есть ледовая дорога! Жители озерных и речных краев устраивают пешеходные и автомобильные переправы, чтобы сократить путь до пункта назначения. Как определить, безопасно ли передвигаться по льду пешком, на автомобиле или кататься на коньках? Не стоит рисковать, подвергая опасности себя и товарищей: для каждого из таких случаев существуют специальные правила. Если у вас есть дети, обязательно научите их тому, какая толщина первого льда безопасна. Легче предупредить несчастный случай, чем спасать попавшего на непрочный лед!

Для человека

Опытные охотники и рыболовы умеют распознавать примерную толщину льда по его цвету. Синеватый или «с зеленью» лед считается прочным, и чем прозрачнее ледовое покрытие, тем оно прочней. Матово-белый или с желтизной цвет свидетельствует о ненадежности. Если вы видите участок реки подо льдом, на котором отсутствуют следы животных и человека, задумайтесь, отчего это. Скорее всего это место, где бьют ключи, корочка льда там очень тонка, а из-за снега этого не видно.

Это нужно знать:

1. Безопасным для человека считается лед толщиной не менее 10 см в пресной воде и 15 см в соленой.
2. В устьях рек и протоках прочность льда ослаблена.
3. Лед непрочен в местах быстрого течения, бьющих ключей и стоковых вод, а так же в районах произрастания водной растительности, вблизи деревьев, кустов, камыша.
4. Если температура воздуха выше 0 градусов держится более трех дней, то прочность льда снижается на 25%.

Видео о правилах нахождения на льду

Закрепим материал о прочности льда:

• лёд голубого цвета – прочный,
• белого – прочность его в 2 раза меньше,
• матово белый или с желтоватым оттенком – ненадежен.

Не стоит относиться к зимним прогулкам легкомысленно и не готовиться заранее. Провалившемуся под лед очень трудно выбраться, так как края полыньи будут обламываться под его тяжестью. Взрослый или ребенок могут утонуть от переохлаждения, которое наступает через четверть часа. У некоторых случается холодовой шок.

Памятку о безопасности и правилам поведения на льду, вы можете скачать после статьи

Для зимней переправы

Приводим данные в таблице ниже.

Безопасная толщина, м		С учетом веса, т
там, где пресная вода	там, где морская вода
0,10	0,15	до 0,1	5
0,20	0,25	до 0,8	10
0,25	0,30	до 3,0	20
0,35	0,45	до 6,5	25
0,40	0,50	до 10	26

Для техники

Безопасная толщина, м		С учетом веса, т	С учетом расстояния до кромки льда, м
там, где пресная вода	там, где морская вода
0,70	0,55	до 20	30
100	0,95	до 40	40

Занимаясь организацией переправы для техники, учитывают следующие факторы:

• глубину водоема;
• скорость течения;
• расстоянием между берегами реки;
• интенсивность грузопотока;
• когда поблизости расположена гидроэлектростанция, данные по расчету трассы сопоставляются с режимом работы ГЭС.

Теория и практика

Ледовую трассу расчищают от снега по обе стороны от оси (не меньше, чем на 10м) и обозначают вехами (каждые 15-20 м). Поскольку движение на трассе одностороннее, дорогу с обратным движением следует прокладывать не менее, чем в 100 м. Толщина льда измеряется путем пробивания лунок на протяжении 5 м друг от друга (у берегов расстояние сокращается до 3 м), диаметр лунок - от 6 до 10 см. Лунки располагаются по принципу шахматных клеток на расстоянии 5 м от оси по направлению в обе стороны. Для безопасности их ограждают снеговой насыпью по окружности и закрывают щитами из дерева. Возникающие «зависания» льда обрушивают механическим путем. Замеры производит местная гидрометеослужба каждые 5 дней, а в случае оттепелей - чаще.

Помимо веса техники, делаются поправки на интенсивность движения по формуле:

H тр = n a · P

В ней учитываются:

• H – толщина льда;
• n – коэффициент интенсивности движения (при пропускаемости 500 автомашин в сутки показатель n равен 1, если 1 – это 500, то 400 – 0,8 и т.д.);
• a – показатель характеристики нагрузки (колесная, гусеничная);
• P – масса груза, т.

Формула может быть дополнена, в зависимости от особенностей местных условий.

Как видите, гораздо легче обезопасить передвижение одного человека, но лишь в том случае, если этот человек будет соблюдать правила. В конечном счете, таблица допустимой толщины льда (и нагрузки на него) при организации переправы техники будет выглядеть следующим образом:

Требуемая толщина ледяного покрова (см) с учетом среднесуточной t в течение 3 прошедших суток			Дистанция между автомашинами, м
– 10 °и ниже	– 5 °С	При кратковременной оттепели до 0 °
Гусеничная техника
4	18	20	28	10
6	22	24	31	15
10	28	31	39	20
16	36	40	50	25
20	40	44	56	30
30	49	54	68	35
40	57	63	80	40
50	63	70	88	55
60	70	77	98	70
Колесная техника
3,5	22	24	31	18
6	29	32	40	20
8	34	37	48	22
10	38	42	53	25
15	46	50	64	30

Поправки и уточнения

При использовании таблицы следует учитывать, что берется среднесуточная температура и «идеальные» условия для формирования разновидности льда «пресноводный раковистый». Показатель толщины пористого льда придется удвоить. При наличии в водоеме соленой воды коэффициент поправки снижается до 1,2. При частых оттепелях грузоподъемность каждой единицы техники определяется практическим путем.

В случае необходимости ледяной покров утолщают искусственно, очищая для этого пространство, поливая его водой и ожидая, пока слои намерзнут. Если требуется переправа техники к месту проведения водолазных работ в местах, где лед покрывает морские водоемы, условия меняются так, как это изложено в первой таблице статьи.

Но вернемся еще раз к требованиям поведения зимой на реке или пруду, действительным для человека, и особенно, для детей, которые чаще, чем взрослые, бывают неразумны. Считается, что лед для безопасного нахождения человека на нем должен быть не менее 10-15 см (в зависимости от воды-пресная или соленая). В случае массовых мероприятий на льду, норма увеличивается до 25 см. Следует знать еще и как себя вести, если кто-то (или вы сами) провалились под лед, ведь паника может привести к печальному исходу.

Когда казавшийся прочным лед для безопасного передвижения сменился пористым и ломким, вы можете внезапно оказаться в воде, возьмите себя в руки и следуйте рекомендациям:

1. Раскиньте руки в стороны, чтобы можно было опереться, не ломая края «купели» и не захлебнуться.
2. Из полыньи придется выползать, избегая порывистых движений. Если при вас имеются «ледовые шилья» и веревка, воспользуйтесь ими для подтягивания.
3. Основное правило: не опираться на отдельные участки небольшой площади, а стараться располагаться так, чтобы опорой служила максимально большой участок.
4. Откатитесь от краев провала, а встав на ноги, не бегите, двигайтесь не спеша и не поднимая ног над поверхностью льда.
5. При оказании помощи провалившемуся, найдите то, что поможет расширить площадь опоры (спортивный инвентарь, фанера, пластик).
6. Не становитесь на край полыньи, действуйте на оптимальном расстоянии.
7. Бросайте оказавшемуся в полынье веревку и равномерными движениями тяните, помогая выбраться.
8. Добравшись до дома, переоденьте пострадавшего, напоите чаем (без добавок алкоголя!) и звоните в «скорую».

Спасатели, действующие в условиях, когда требуется передвижение по льду, должны помнить:

1. При выборе маршрута необходимо помнить о дрейфующих льдах (на море, озере), узнавать скорость и направление течения, ветра.
2. Стоит запастись противоскользящими приспособлениями.
3. На воде с течениями толщина льда везде может быть разной.
4. На болотах, в отличие от рек, лед прочнее в центре, а слабее по краям.

Правила поведения на замерзшем водоеме

1. Не экспериментируйте с проверкой прочности покрова ногами, берите с собой жердь.
2. Находите уже имеющиеся утоптанные тропы.
3. Если вы прокладываете такую пешеходную тропу одним из первых, пробуйте лед на прочность впереди себя палкой, избегайте мест, не вызывающих доверия.
4. Запомните признаки непрочного покрытия: треск, подвижность, появление воды над поверхностью. Если это происходит, передвигайтесь от этого места расставив ноги пошире, неторопливо или даже ползком.
5. Нельзя двигаться компанией (между путниками или идущими на лыжах нужен промежутков не менее 5 метров), с пристегнутыми к ногам лыжами, с надетыми на руки креплениями лыжных палок.
6. Рыболовам необходимо рассчитывать число лунок на определенной площади и сверлить их на значительном расстоянии друг от друга.
7. Если у вас груз есть (ранец, рюкзак), лучше закрепить его веревкой и тащить на расстоянии.
8. Если возникла необходимость преодолеть участок непрочного льда, отправляйтесь туда со страхующим, Даже двигаясь на расстоянии 5 метров, он окажет помощь при несчастном случае.
9. Если у вас есть такая возможность, лучше всего просверлить лунку и измерить толщину льда перед зимним походом.
10. Не рекомендуется ловить рыбу поблизости от подтаявших или поврежденных участков льда.
11. Запаситесь двенадцати метровой (или длиннее) веревкой, на одном ее конце должен быть груз.

Несоблюдение правил безопасности на водных объектах в осенне-зимний период часто становится причиной гибели и травматизма людей. Только в прошлом году за это время на водоёмах Спасского района погибло два человека.

Чтобы избежать несчастных случаев, необходимо соблюдать правила безопасности поведения на воде. В чём они заключаются?

Сергей ШАЛАШОВ,

государственный инспектор Камско-Устьинского инспекторского участка.

Осенний лёд с ноября по декабрь, до наступления устойчивых морозов, непрочен. Скреплённый вечерним или ночным холодом, он вначале способен выдерживать небольшую нагрузку, но днём, быстро нагреваясь от просачивающейся на него талой воды, становится пористым и очень слабым, хотя сохраняет достаточную толщину. А в этом году к тому же постоянные перепады температуры не позволяют закрепиться на водоёмах прочной ледовой поверхности.

Во избежание трагедий необходимо учитывать, что водоёмы, как правило, замерзают неравномерно: сначала у берегов, на мелководье, в защищённых от ветров заливах, а затем уже на середине. На одном и том же водоёме можно встретить чередование льдов, которые при одинаковой толщине обладают различной прочностью и грузоподъёмностью.

Основным условием безопасного пребывания человека на льду является соответствие толщины льда нагрузке. Для одного человека она должна составлять не менее 10 сантиметров, для пешей переправы - 15, для проезда автомобилей - не менее 30.

Прочность льда можно определить визуально. Самым прочным, например, считается лёд голубого цвета, прочность белого - в два раза меньше, а серый, матово-белый и с желтоватым оттенком вообще ненадёжен. Особую осторожность нужно проявлять, когда лёд покроется толстым слоем снега, перекрыв доступ холода к поверхности. Пользоваться площадками для катания на коньках, устраиваемых на водоёмах, разрешается только после тщательной проверки прочности льда. Толщина его должна быть не менее 12 сантиметров, а при массовом катании - не менее 25.

Ни в коем случае нельзя выходить на лёд в тёмное время суток и при плохой видимости (туман, снегопад, дождь). Безопаснее всего выходить на берег и спускаться на лёд в местах, где он виден, то есть не покрыт снегом. При вынужденном переходе водоёма безопаснее всего придерживаться проторенных троп или идти по уже проложенной лыжне, или пользоваться ледовыми переправами. Но если их нет, перед спуском на лёд надо очень внимательно осмотреться и наметить предстоящий маршрут. Замёрзший водоём лучше всего перейти на лыжах. При этом они должны быть расстёгнуты, чтобы при необходимости их можно было сбросить. Лыжные палки следует держать в руках, не накидывая петли на кисти. Если есть рюкзак, его лучше повесить на одно плечо - это также позволит легко освободиться, в случае необходимости от груза.

Не нужно выходить на лёд в одиночку, в незнакомых местах, особенно в ночное время. И, конечно, особый контроль в этот опасный период должен быть установлен за детьми, которые очень любят покататься на льду. Но они, как и взрослые, должны знать и помнить, что это далеко не безопасно. Будьте осторожны!

Исследование физико-механических характеристик наледей автомобильных дорог

Трошин Д. И. - аспирант. Научный руководитель: к. т. н., доцент Чабуткин Е.К. Ярославский государственный технический университет Единой классификации обледенений на дорогах не существует, т.к. снежный покров нельзя рассматривать как вещество с определённой структурой. В зависимости от состояния и свойств снежно-ледяной покров можно разделить на пять категорий: свежевыпавший снег, сохранивший первоначальную кристаллическую форму снежинок; лежалый снег, изменивший свою структуру путём осадки; снежная корка, образовавшаяся путём механического воз-действия или переменного температурного режима; снежно-ледяная корка, образовавшаяся при дальнейшем уплотнении и промерзании снежной корки; лёд, когда все кристаллы снега превратились в лёд. 1 группа - образование льда в результате сублимации водяного пара, т.е. перехода его непосредственно в лёд, минуя стадию воды (иней и кристаллическая изморозь); 2 группа - образование льда главным образом за счёт осаждения и замерзания переохлаждённых капель воды (зернистая изморозь и гололёд); 3 группа - образование льда вследствие осаждения и замерзания не переохлаждённой воды (гололедица) и замерзания мокрого снега. Рассмотрение классификации групп обледенения возможны зимой, когда после оттепели наступает резкое похолодание или при выпадении мелкого дождя или осаждения пара на охлаждённую поверхность дорожного покрытия. Считая, что процесс обледенения характеризуется температурой воздуха, приближённой к 0°C при влажности воздуха 90-95%. Снежно-ледяные накаты в прибордюрной полосе не имеют определённой структуры. Особенностью таких наледей является загрязнённость. Исследования, проведенные на кафедре СДМ ЯГТУ, показали, что процент примеси, в среднем, составляет 7…12% от общего объёма, но встречаются и сильнозагрязнённые обледенения, достигая пятидесяти процентного содержания примесей. Классифицировать снежно-ледяные накаты в прибордюрной полосе можно по видам включений, из которых можно выделить три основных: с песчаными примесями; с включением вводно-масляных эмульсий (места мойки машин и станции технического обслуживания); с включением различных мелкодисперсных материалов (въезды с прилегающих грунтовых дорог). Для городских дорог наиболее характерен вид обледенений с песчаными примесями и их объем составляет 90%, от общего числа обследований. Поэтому, далее рассмотрим только этот тип наледей. При выборе способа борьбы с обледенениями на автодорогах можно выделить следующие основные физико-механические свойства льда: адгезию льда к другим материалам, твёрдость, прочность, теплоёмкость, теплопроводность, скрытую теплоту плавления, плотность, пористость. Однако, в процессе разработки обледенений на дорогах, не все физико-механические свойства льда одинаково влияют на рабочий орган ледорезных машин. Выделим те свойства льда, которые существенно влияют на процесс его разрушения.

Исследование физико-механических характеристик наледей автомобильных дорог. Страница 2
Плотность чистого льда при 0°C и при давлении 0,1 МПа составляет 916,8 кг/м³, но в зависимости от условий образования льда, температуры, структуры, наличия различных примесей лёд может иметь плотность от 760 до 950 кг/м³. Коэффициент сжимаемости равен 2·10Б -5 . Температура плавления чистого льда при давлении 0,1 МПа равна 0°С. В свою очередь увеличение давления на 0,1 МПа приводит к понижению точки плавления на 0,0075°С. Коэффициент линейного расширения равен 5,07·10 -5 в диапазоне температур от -5 до -10°С. Теплоёмкость льда при постоянном давлении равна: 2,1172647 + 2,7000084·t, (Дж/кг·°С), где t - температура (с учётом знака). Коэффициент теплопроводности: Кл = 2,219004·(1 + 0,62802·t), (Вт/м·°С) Разница коэффициентов теплопроводности для -20 и 0°С составляет всего 3%, поэтому коэффициент теплопроводности принимается постоянным Кл=2,219 (Вт/м·°С) или Кл=0,0053 (кал/см·с·°С). Прочность льда. В различных литературных источниках приводятся данные по прочности льда, большой разброс этих данных объясняется тем, что прочность льда зависит не только от температуры, но и от ряда других факторов: наличие примесей, структуры, скорости приложения нагрузки и др. Кроме того, во льду постоянно происходит процесс рекристаллизации путём перемещения границы между кристаллами, изменении формы и размеров кристаллов. Пористость льда как твёрдость и прочность зависит от плотности льда, чем больше плотность льда, тем меньше пористость. В таблице 1 представлены данные пористости льда. Таблица 1 - Зависимость пористости льда от плотности На основании наблюдений определено, что плотность и пористость льда связаны зависимостью где q - пористость; ρ 0 - плотность монолитного льда; ρ - плотность исследуемого льда. Главной особенностью льда является то, что в обычных условиях он находится при температурах, близких к температуре плавления, поэтому содержит некоторое количество жидкой фазы, которая действует как смазка при скольжении кристаллов друг относительно друга. Кроме того, лёд не вступает в химические реакции с другими веществами, и не образует твёрдых, неразрушимых материалов.

Сопротивление льда раздавливанию. Многочисленные опыты различных учёных показали, что сопротивление льда меняется в широком диапазоне в зависимости от его структуры, пористости, температуры, наличия примесей, направления сжатия относительно расположения кристаллов и др. В процессе сжатия образцы льда начинают разрушаться раньше, чем напряжения в нём достигнут предела прочности. Проведенные исследования показали, что наличие включений в снежно-ледяном массиве значительно влияет на прочностные характеристики льда. Нагрузка, приводящая к разрушению, может быть ниже в 2…3 раза, по сравнению с чистым льдом. Предел прочности льда также сильно зависит от температуры и увеличивается при её понижении. Эта зависимость может быть выражена эмпирической формулой Коржавина σ = А + В·θ, где θ - отрицательная температура льда, °С без знака минус; А и В - эмпирические коэффициенты в интервале температур от 0 до -10°С, А ≈ 15 и В ≈ 3,4. Однако наличие примесей в структуре льдообразований сильно меняет и картину изменения прочностных характеристик в зависимости от температурного фактора. Если отличия в прочностных характеристиках чистого льда и образцов с примесями при температуре -5°С может доходить до 40…50%, то при более высоких температурах эта разница может составлять уже 60…70%. Сопротивление льда разрыву при растяжении зависит в основном от тех же факторов, что и сопротивление раздавливанию, только величина предела прочности меньше. На величину предела прочности влияет наличие примесей. Если образцы льда при сжатии после появления трещин могут допускать дальнейшее увеличение нагрузки, то при разрыве разрушение происходит одномоментно. Сопротивление льда излому определяется путём изгиба образцов льда. Величина предела прочности в этом случае зависит от размера образца. По данным И.П. Бутягина предел прочности крупных образцов в среднем в три раза меньше малых образцов. Согласно данным К.П.Коржавина, предел прочности при сопротивлении излому зависит от скорости нагружения. При увеличении скорости изгиба от 0,00033 м/с до 0,003 м/с, уменьшало предел прочности с 0,92 до 0,36 МПа. Сопротивление льда срезу. Предел прочности льда при срезе меньше, чем при растяжении, по Б.П. Вайнбергу, в среднем почти в два раза σ раст = 1,11 МПа, σ ср = 0,58 МПа. Предел прочности при срезе увеличивается с понижением температуры и может изменяться в зависимости от структуры льда и направления среза относительно направления осей кристаллов. Таким образом, лёд по своим физико-механическим свойствам может быть отнесён к квазиизотропным твёрдым телам, обладающим упругопластическими свойствами, но при ударных нагрузках он ведёт себя как хрупкое тело, за счёт наличия примесей, трещин и пор. Величины пределов прочности льда при различных деформациях неоднозначны, так как сопротивляемость действующим нагрузкам зависит от условий формирования ледяного покрова.

Во льду всегда имеются полости с рассолом и полости, заполненные воздухом или газами. Отношение объема пузырьков с газом или воздухом к общему объему образца льда, выраженное в процентах, называется пористостью льда . Пористость морских льдов может колебаться от 5 до 13%.

Плотность пресного льда , лишенного пузырьков воздуха, при температуре 0 0 С равна 0.918 г·см 3 , а удельный объем при этом равен 1.090 см 3 ·г -1 . Следовательно, при льдообразовании удельный объем увеличивается (плотность уменьшается) примерно на 9%.

Плотность морского льда зависит от температуры, солености и пористости.Плотность льда определяет осадку (погруженность) плавучих льдов, которая для пресных льдов составляет около 9/10, а для морских - до 5/6 их толщины.

Образование (кристаллизация) морского льда происходит не при какой-то фиксированной температуре, как у пресного льда, а непрерывно от температуры замерзания морской воды до температуры, при которой весь рассол замерзнет. Так же непрерывно при повышении температуры происходит плавление (таяние) льда.

Цвет льда, как и воды , объясняется избирательным поглощением и рассеянием световых лучей и зависит от размеров и количества посторонних примесей в нем. Совершенно чистый, пресный, лишенный пузырьков воздуха лед при рассматривании его в большом куске представляется нежно-голубым.

Лед, встречающийся в море, по цвету или оттенкам, заметным в больших массивах льда, можно грубо подразделить на коричневый, белый, зеленый и голубой или синий.

Начальные виды льдов - ледяное сало, шуга, тонкий смоченный молодой лед - имеют темно-серый со стальным оттенком цвет. По мере увеличения толщины цвет льда переходит в светло-серый, а затем в белый. При таянии смоченные водой тонкие льдинки вновь принимают темно-серую окраску.

Встречается лед зеленого, красного, розового, желтого и даже черного цветов, которые объясняются присутствием во льду в больших количествах различных минеральных и органических взвесей (бактерий, планктона, эоловых частиц и др.).

§ 7. Ледовая прочность

Под ледовой прочностью понимают свойство корпусных конструкций сохранять местную прочность (т. е. не получать повреждений) под действием ледовых нагрузок, возникающих при движении ледокола во льдах и во время ледовых сжатий. Ледовая прочность судна определяется его размерами, формой обводов, материалом и конструкцией корпуса, скоростью хода, а также толщиной и физико-механическими характеристиками ледяного покрова.

Ледовые нагрузки, действующие на корпус ледокола при работе во льдах, значительно выше местных нагрузок у других типов судов. Природа ледовых нагрузок: удары о лед вовремя работы ледокола набегами или при непрерывном ходе во льду, статическое давление при сжатии льдов. Наибольшие динамические нагрузки в носовой оконечности возникают при ударах о лед. Кормовая оконечность подвергается значительным динамическим нагрузкам во время реверсов и при работе задним ходом. Ударные ледовые нагрузки имеют локальный характер и приложены главным образом в районе действующей ватерлинии. При ледовом сжатии давление льда на корпус распределяется на значительном по длине корпуса участке.

Определение величины расчетных ледовых нагрузок, действующих на наружную обшивку и набор, является первым этапом при проектировании и расчете корпусных конструкций ледокола.

Канадские судостроители исходят из предположения, что ледовая нагрузка распределена по поясу высотой 0,9 м, причем она приложена самым неблагоприятным образом - в районе между грузовой ватерлинией и ватерлинией, соответствующей половине осадки. Для судов, толщина наружной обшивки которых меньше 25,4 мм, а шпация - более 508 мм, ледовая нагрузкасчитается приложенной непосредственно у ватерлинии. Я. Э. Янс-сон считает это предположение приемлемым для ледоколов, работающих в средних широтах.

Американские специалисты при проектировании и постройке ледоколов типа Уинд ориентировались на ледовую нагрузку интенсивностью 210 кгс/см^, распределенную вдоль ватерлинии по узкому поясу. Ширина этого пояса принималась такой, чтобы суммарное усилие, создаваемое давлением льда, было достаточным для выжимания корпуса ледокола при сжатии. Такая расчетная схема приводит к завышению площади приложения ледовой нагрузки в несколько раз и тем самым - к занижению действующих нагрузок и напряжений. Кроме того, не учитывается, что нагрузки в оконечностях, возникающие при ударах о лед, могут значительно превосходить нагрузки от сжатия корпуса льдом. Недостаточно учитываются основные факторы, от которых зависит величина ледовой нагрузки: форма обводов корпуса, скорость хода судна во льдах, толщина и прочность льда.

Таблица 4

Интенсивность ледовой нагрузки при расчете бортового набора мощного ледокола

Интенсивность нагрузки, кгсісм""

Район корпуса----_._

на шпангоуты на стрингеры

Носовая оконечность 80 47

Средняя часть 40 24

Кормовая око- 60 35 нечность

При постройке в Финляндии ледоколов типа Москва финские судостроители использовали рекомендации советских специалистов. Бортовая обшивка этих ледоколов рассчитывалась на давление льда, равное 100 кгс/см^ - в носовой оконечности, 50 кгс/см^ - в средней части и 75 кгс/см^ - в кормовой оконечности. Интенсивность ледовой нагрузки на шпангоуты и бортовые стрингеры, принятая при расчете корпусных конструкций, указана в табл. 4 . Опыт проектирования корпусных конструкций ледоколов типа Москва оказался удачным: в течение многолетней эксплуатации их корпусные конструкции (за исключением днищевых) не имели существенных ледовых повреждений.

в СССР д. Е. Хейсиным и Ю. Н. Поповым разработан и получил признание метод определения ледовых нагрузок , который достаточно полно отражает физическую картину работы ледокола во льдах. При обосновании этого метода ледяной покров рассматривался как изотропная пластина, лежащая на упругом основании (вода). Лед считался вполне упругим материалом, а его упругие постоянные и значения пределов прочности принимались по данным натурных экспериментов. При определении ударных нагрузок условно принималась заданная конфигурация кромок льдины. С целью уточнения полученных решений расчетные ледовые нагрузки сопоставлялись с фактической прочностью плавающих судов. При этом учитывались сведения о ледовых повреждениях и данные опыта эксплуатации ледоколов в Арктике и в замерзающих неарктических морях.

Разработанный на этой основе расчетный метод пригоден для ледоколов всех классов. Он позволяет при определении ледовых нагрузок, которые в оконечностях назначаются исходя из условий удара о лед, а в средней части корпуса - из условий статического сжатия ледяными полями, учесть размерения ледокола, форму его корпуса и скорость хода, а также ледовые условия, в которых он плавает. Ниже приводятся основные зависимости указанного метода.

Нагрузки на бортовой набор. Величина ледовой нагрузки зависит от конфигурации кромки льдины в районе контакта с бортом. Как показывает анализ, кромка, очерченная по дуге окружности (если принимать величину радиуса в пределах от 10 до 40 м), приводит к распределению и величинам ледовых нагрузок, хорошо согласующимся с данными натурных испытаний и опыта эксплуатации судов во льдах. Ледовая нагрузка в тс/м, действующая на носовую оконечность ледокола,

* Для соленого арктического льда при ударе составляет 350- 600 тс/.н^ .

Коэффициенты к^, к^, ку и к^ определяют по графикам рис. 44-47. Значения углов а и Р снимают на уровне конструктивной ватерлинии^.

Ледовые нагрузки для бортового набора в средней части корпуса определяются исходя из условий статического сжатия ледокола льдами. В качестве расчетных нагрузок, действующих на корпус судна при сжатии, принимаются предельные нагрузки, разрушающие лед заданной толщины. Наблюдения показывают, что у борта ледокола разрушение ледяного покрова при сжатии происходит в основном от изгиба, что объясняется значительнымнаклоном борта к вертикали. С учетом сказанного случаи сжатия ледоколов, имеющих в средней части «наклонный» ф > 8°) или «вертикальный» (Р<8°) борт, рассматриваются отдельно.

^ Для проверки точности замера углов а" и В необходимо постоите,

1Т.^п^^Т.\"Тс " " """"""" недос?атГноГпГв„"о?;иРк;;!

вых сгладить их и в расчет вводить исправленные углы.

к^=у 1о№ ~~ предела прочности льда на изгиб;

/г^, - толщины льда (рис. 50).

Расчетная нагрузка в тс/ж в средней части корпуса ледоколов с «вертикальным» бортом определяется формулойц, = к,КУ\ (13)

где к^ - коэффициент, равный 62 - для соленого льда и 73 - для пресного; к - расчетная толщина льда при сжатии, м. Ледовые нагрузки, действующие на кормовую оконечность, определяются из условия удара ледокола о лед при движении задним ходом или при навале кормы на кромку льда при рыскании. Корма находится в более легких условиях, чем носовая оконечность. Кроме того, форма кормы ледоколов весьма благоприятна для восприятия ледовых усилий ввиду большего наклона борта в корме. В силу этого величина ледовых нагрузок в кормовой оконечности назначается в долях от максимальной нагрузки, действующей на носовую оконечность:

^к = М^н)„,з.- (14)

Величина коэффициента к = 0,7 была назначена исходя из условия удара кормой о лед со скоростью 4-5 уз. Нагрузка при этом должна быть не менее чем на 30% выше нагрузки в средней части ледокола. Протяженность района усиления кормовой «оконечности должна составлять около 20% от длины судна, считая от кормового перпендикуляра.

Нагрузка на наружную (бортовую) обшивку. Анализ взаимодействия корпуса со льдом показывает, что контактные давления, развивающиеся при раздроблении кромки льда, зависят от массы ледокола, формы его обводов, скорости, а также от физико-механических характеристик льда. Ввиду того что некоторые характеристики ледяного покрова недостаточно изучены, строгое определение расчетной величины контактных давлений представляется затруднительным, и при назначении ледовых нагрузок на обшивку используют метод пересчета с прототипа.

При этом исходят из предположения, что ледовая нагрузка распределена по наружной обшивке, причем зона распределения имеет вид пятна, вытянутого вдоль судна на несколько шпаций. Это дает основание полагать, что на рассматриваемом участке борта интенсивность расчетной нагрузки на бортовую обшивку р пропорциональна интенсивности расчетной нагрузки на бортовой набор т. е. р/ро = ЦІЦй, где обозначения без индекса относятся к рассматриваемому ледоколу, а с индексом О - к судну-прототипу.

Для судов, близких к прототипу, можно считать, что условия их эксплуатации во льдах сходны. Следовательно, параметры, характеризующие физико-механические свойства льда, конфигурацию кромки льдины, а также скорость движения во льдах, будут одинаковыми для обоих ледоколов:

Предполагается также, что интенсивность ледовых усилий, действующих на обшивку, зависит от формы корпуса лишь в той мере, в какой она влияет на силу удара, т. е. на приведенную массу судна и его приведенную скорость, и практически не зависит от геометрии смятия кромки льда. Выражение для интенсивности ледовой нагрузки на обшивку при ударе о плавающую льдину запишется в виде

где Рн - интенсивность ледовой нагрузки на обшивку в носовой оконечности; - масса ледокола; Ма - масса льдины.

В случае удара о большое ледяное поле {М^М^ -> 0) формула (15) упрощается:

Р» = (Р«о-" ° " ■ (16)

Отношение водоизмещении ледокола и близкого ему прототипа примерно равно отношению кубов их длин. Учитывая это обстоятельство и равенство V = Уо, формулу (16) можно записать следующим образом:

где L - длина ледокола между перпендикулярами, м;

ka = (l.6cosß + 0,ll)"^° _ jn^ _ коэффициент, учитываю щий влияние угла наклона ß шпангоутов к вертикали {т - коэффициент, определяемый по графику рис. 44);

Значения коэффициента k для ледоколов различных классов

I класс...............30,5

II » ...............24

III » ...............18

Интенсивность ледовой нагрузки в средней части корпуса, определенная из условий сжатия судна во льдах,

Рс = (Рс)о]/-57-^--|. (18)

где обозначения с нулевым индексом относятся к судну-прототипу. Если взять в качестве прототипа мощный ледокол со строительной прочностью бортовой обшивки (pjo = 520 тс/м^, то предельную толщину льда, давление которого выдерживает этот ледокол, можно принять равной 4 ж, а пределы прочности льда на смятие (ojo = 250 тс/м^ и на изгиб (Ор)о = 125 тс/м^. С учетом сказанного формула (18) преобразуется:

р, = 0,52 о^оЧ.^ тс/м\ (19)

Если прочностные характеристики льда при переходе от прототипа к проектируемому ледоколу не изменяются, т. е. если

Ое/(Ое)о =^ öp/(Op)o = 1, то Ре = 82/1 і/ h.

Интенсивность ледовой нагрузки на обшивку в кормовой оконечности Рк назначается по формулегде к" - численный коэффициент, равный 0,7.

Нагрузка Рк должна быть не менее чем на 30% выше нагрузки в средней части. Протяженность района усиления обшивки в кормовой оконечности следует принимать равной 20% от длины судна.

При движении судов во льдах помимо «прямых» ударов наблюдаются также «отраженные» удары, когда судно, ударившись бортом о лед, резко отклоняется в противоположную сторону и ударяется о лед другим бортом. Проекция скорости на нормаль к борту при втором ударе больше, чем при первом. Соответственновозрастают и контактные усилия, что приводит иногда к серьезным повреждениям, в результате этого в ряде случаев отмечались значительные деформации бортовой обшивки и набора, например на ледоколе Ермак во время его первого арктического плавания, а также на некоторых транспортных судах ледовых категорий.

Ледовые нагрузки в носовой оконечности с учетом отраженного удара будут больше, чем приведенные выше [см. формулы (10), (11), (17)], и определятся следующим образом:

X - отстояние от миделя сечения, по которому пришелся отраженный удар.

Прочие обозначения те же, что и выше. Графики функций!д (Р) и /р (Р) приведены на рис. 51.

По найденным значениям интенсивности ледовых нагрузок строят их эпюры по длине ледокола (рис. 52, 53). Эпюры спрям-

ляют на отдельных участках, исходя из конструктивных соображений (например, учитывая расположение переборок). Теоретические кривые нагрузок на обшивку и набор носовой оконечности спрямляют таким образом, чтобы число участков не превышало двух-трех. Значения интенсивности ледовой нагрузки спрямленных эпюр являются расчетными для бортового набора и обшивки ледового пояса.

Нагрузки на палубы и поперечные переборки. Расчетные нагрузки на палубы и поперечные переборки назначаются исходя из расчетных нагрузок на бортовой набор. Формулы для определения этих нагрузок приведены в § 21 и 22, где рассматриваются прочность и конструкция ледовых палуб (платформ) и поперечных переборок.

Нагрузки на штевни. Подробный теоретический анализ удара судна форштевнем о лед и определение возникающих при этом нагрузок проведены в работе .

Ледовая прочность ледокола обеспечивается, однако, не только назначением ледовых нагрузок и выбором соответствующего материала и конструкции его корпуса, нО также выполнением целого ряда эксплуатационных требований. Главнейшим из этих требований является соблюдение некоторой «допустимой» скорости движения во льдах, превышение которой может привести к ледовым повреждениям корпуса. Допустимая скорость движения в конкретных ледовых условиях определяется мощностью энергетической установки и прочностью корпуса ледокола, воспринимающего ледовые нагрузки. Для практического ■ определения безопасной возможной скорости движения надо иметь кривые ледовой и предельной прочности. Кривую ледовой прочности рассчитывают по методике, изложенной выше. Она соответствует скорости движения, при которой напряжения, возникающие в корпусных конструкциях во время взаимодействия корпуса со льдом, равны пределу текучести матер"иала. Кривая предельной прочности определяется на основании расчета конструкций в упруго-пластической зоне и соответствует скорости движения ледокола, при которой несущая способность его конструкций считается исчерпанной. С помощью этих кривых, построенных в координатах V - к я нанесенных на график ледовой ходкости (см. § 11), можно определять безопасную скорость движения ледокола в заданных конкретных и прогнозируемых ледовых условиях при различных режимах работы энергетической установки.

Выход на замерший водоем всегда сопровождается риском провалиться под лед. Поэтому, передвигаясь зимой по озеру или реке, необходимо соблюдать меры безопасности, быть бдительным и осторожным.

Считается, что для безопасного выхода одного человека на лед его толщина должна быть не менее 10 см, для группы из 4-5 человек - не менее 15 см, при массовом выходе на лед – не менее 25 см.

Прежде всего, любой человек, совершающий даже короткий переход по замерзшему водоему, должен иметь при себе палку. Ни в коем случае не проверяйте плотность льда ударом ноги. Постучите по льду палкой: если под ней образовалась лужица воды, значит, лед недостаточно крепок. При появлении влаги сразу же покиньте место, на котором стоите, скользя, не отрывая ступни ног от поверхности.

Существует несколько внешних признаков, по которым можно определить прочность льда. Чистый и прозрачный лед , имеющий голубоватый или зеленоватый оттенок, образуется в морозную, безветренную и без осадков погоду. Такой лед похрустывает под ногами. Даже на тонких участках он не проламывается сразу, а как бы предупреждает об опасности расходящимися под ногами радиальными трещинами.

Лёд, имеющий оттенки серого, матово-белого или желтого цвета почти вдвое слабее прозрачного. Такой лед образуется во время морозной погоды со снегопадами и представляет собой смерзшиеся снежинки. Он особенно коварен, так как рушится без предостерегающего потрескивания.

Абсолютно непрочен ноздреватый лед , который, представляет собой замерзший во время метели снег. Участки такого льда надо непременно обходить.

Толщина льда даже на одном водоёме не везде одинакова. Тонкий лёд находится у берегов, в районе стремнин и перекатов, в местах слияния рек, на изгибах и излучинах, около вмерзших предметов, деревьев и камыша, в районе подземных источников, в местах слива в водоемы теплых вод и канализационных стоков. Опасность представляют собой полыньи, проруби, лунки, трещины, которые покрыты тонким слоем льда. Старайтесь обходить такие места как можно дальше во избежание неприятностей.

Ненадёжным является лёд под снегом и сугробами. Снег, покрывая лед, действует, как одеяло. Поэтому под ним лед нарастает значительно медленнее.

Основные правила безопасного поведения на льду:

Нельзя отпускать детей на лед без сопровождения взрослых;

Нельзя выходить на лед в темное время суток и при плохой видимости;

Безопаснее всего придерживаться проторенных троп или идти по уже проложенной лыжне;

Оказавшись на тонком, потрескивающем льду, следует осторожно повернуть обратно и скользящими шагами возвращаться по пройденному пути к берегу;

При переходе водоема группой необходимо соблюдать расстояние друг от друга (5–6 м).

ЗАПРЕЩАЕТСЯ: выходить на лед в состоянии алкогольного опьянения, прыгать и бегать по льду, собираться большим количеством людей в одной точке.

Если вы провалились под лед - сохраняйте спокойствие и хладнокровие. Даже плохо плавающий человек некоторое время может удерживаться на поверхности за счет воздушной подушки, образовавшейся под одеждой. И лишь по мере намокания одежды человек теряет дополнительную плавучесть. Этого времени обычно хватает, чтобы выбраться из полыньи. При этом следует помнить, что наиболее продуктивны первые минуты пребывания в холодной воде, пока еще не намокла одежда, не замерзли руки, не развились характерные для переохлаждения слабость и безразличие.

Постарайтесь дышать медленно и глубоко. Широко раскиньте руки в стороны и постараться зацепиться за кромку льда, чтобы не погрузиться с головой. Повернитесь в ту сторону, откуда пришли. Лёд был достаточно прочным в этом направлении до аварийного участка. Значит, он должен выдержать вас и на обратном пути. У вас нет времени на проверку других маршрутов. Попытайтесь осторожно, не обламывая кромку, без резких движений, наползая грудью, лечь на край льда, забросить на него одну, а затем и другую ногу. Если лед выдержал, медленно, откатитесь от кромки и ползите (или перекатывайтесь) к берегу.

Пресс-служба Главного управления МЧС России по Республике Марий Эл.