40
Дом, который построил…
А. В. ТОКАРЕВ
Выдающийся итальянский архитектор XVI века Андреа Палладю считал, что в каждой построке должны быть соблюданы три вещи, без которых ни одно значение не может заслужить одобрения. Это — полза (и удобство), красота и долговечность. Оставим в стороне сообщения удобства и красоты и поговорим о долговечности, или, другими словами, о надежности построики.
Наверное, каждый из вас знает, что строительство любого сооружения начинается с закладки фундамента. Хороший, прочный фундамент — залог дальнейшего успеха. Но что это значит — прочный фундамент?
Много вопросов приходит решать специалистам. Один из них — борьба с осадкой фундамента. Особые трудности, связанные с этой проблемой, возникают при возниклении сооружений на вечной мерзлоте. Построенные там дома часто дают трешины из-за неравномерной осадки фундамента, вызванной подтаванием грунта под ним.
Можно ли избежать подтавания грунта под домами, построенными на вечной мерзлоте, или хотя бы уменшить подтавание?
Давайте попытемся решить эту задачу, исходя только из знаний простейших физических законов и закономерностей.
Прежде всего, проанализируем условия задачи. Почему грунт под домом может начать подтаивать? Очевидно, потому, что фундамент передает ему некоторое количество теплоты. Значит, все дело в фундаменте. Тогда, первое, что направляется сделать, это уменшить площадь соприкосовения фундамента с грунтом. Именно с этой целью задания стали строить на связи, отказавшись от привчного сплошного фундамента. Но этого оказалось недостаочно.
Как еще можно уменшить приоктелла к грунту? В данном случае приоктелла передается только теплопроводностью; следовательно, материал связывает проводить теплло как можно хуже. Из чего же нужно делать свяй?
Для количественной оценки теплопроводности различных веществ воditится специалная физическая велича — коэффициент теплопроводности. Для каждой вещества он свой. Самую большую теплопроводность имеет металлы, у жидкостей теплопроводность неVELICA, у газов — еще меньше. Для наших рассуждений не важно, как именно
41
определяется коэффициент теплопроводности и в каких единицах он измеряется. Нам интересно лишь сравнить способности различных материалов проводить тепло. Поэтому воспользовемся справочником*) и составим небольшую таблицу относительных коэффициентов теплопроводности, выбрав теплопроводность воды за единицу:
| Вещесто | Относительный коэффициент теплопроводности | Вещесто | Относительный коэффициент теплопроводности |
| :— | :— | :— | :— |
| Бензин | 0,2 | Железо | 122 |
| Вата | 0,07 | Керосин | 0,2 |
| Вода | 1 | Кирпич | 1,1 |
| Воздух | 0,04 | Лед | 3,7 |
| Войлок | 0,1 | Пробка | 0,07 |
| Дерево | 0,2—0,6 | Спирт | 0,3 |
Постотрим внимательно на эту таблицу. Из твердых материалов наимененный теплопроводностью обладают вата и пробка, затем идут дерево и кирпич. Однако прежде всего связь должны быть прочной, так что все перечисленные материалы являются не подходят. А что, если связь сделать из металла, например из железа, и внутри ее помещить вату, войлок или какое-то другой пористое вещество, содержащое много воздуха? Это — выход!
Итак, связь должна быть изготовлена из прочного тердого материалов и заполнена каким-либо пористым веществом.
Аналізируя полученный результат, делаем выбор: благодаря малой теплопроводности, связая указанной конструкции действительное уменьшит приток тепл от окружащего воздуха к группу (то есть сверху вниз) в теплое время года. А в холодное? Хорошо бы сделать так, чтобы зимой, во время сильных морозов, связая способствовала охлаждение группы (то есть передавала бы тепло сизу вверх). Это увеличило бы прочность группы и уменьшило степень его подтаивания летом.
Сформируем более четко, какие же физические процессы происходят в свеже и в грунте около не летом и зимой. В теплое время года верхняя часть свеже, соприкась с воздухом, нагревается. Постепенно будет нагреваться и та часть свеже, которая находится в земле. Чем меньше нагрева нижней конец свеже, а значит и прилегающий к ней групп, тем лучше. Зимой верхняя часть свеже охлаждается от соприкосновения с холодным воздухом. Постепенно охлаждается и нижняя часть свеже, и групп вокруг нее. Чем ниже температура, до которой охладиется групп, тем лучше.
Таким образом, связая должную следующими свойствами:
a) если температура верхней части свеже выше, чем нижней, то свая должа проводить теплло плохо;
b) если верхний конец свеже холоднее нижнего, то свая должа проводить теплло хорошего.
Или, другими словами:
сверху вниз передача теплла должная проискать плохо, а снизу вверх — хорошего.
Как известно, в твердых телах теплопроводен осуществляется только за счет теплопроводности, которая не зависит от направления. Это означает, что связь с перечисленными выше свойствами не может быть изготовлена из тердого тела. Наша предыдущего модель — металлическая связь, заполненная пористыми материалов, — не годится (пористая «внутренность» свеже будет проводить теплло не только летом, но и зимой, когда желательно, чтобы групп хорошо охлаждено охладился).
А что, если прочную оболочку свеже, способную выдержать большую нагрузку, заполнить жидкость или газом? В этом случае передача теплла будет осуществляться не только теплопроводностью, но и конвекцией. К чему это приведет?
Зимой верхние слоны жидкости или газа будут охлаждаться и, как более плотные, будут опускаться вниз. Имesto займут менее плотные нижние слоны, которые будут, в свою очередь, охлаждаться и опускаться вниз и т. д. В результате свеже и групп вокруг нее примут температуру окружащего воздуха, то есть охладятся за счет естественных морозов. В летнее время верхние слоны жидкости или газа будут, ко-
42
нечно, нагревая окружающим воздухом, но, как менее плотные, опускаться вниз они не будут. Передача тепла будет осуществляться только теплопроводностью, а она у жидкость и газов очень мала.
Значит, связая такой конструкции летом будет проводить тепло плохо, и грунт вокруг нее прогреется незначительно.
Итак, мы приходим к выводу: свяю, изготовленную из прочного материалов, необходимо заполнить жидкость или газом.
Остается последний вопрос — чем именно надо заполнить свяю? Зимой это все равно, так как в течение долгого холодного периода температура грунта успеет попизиться до температуры окружающего воздуха. Летом же важно, чтобы грунт прогрелся как можно меньше. Значит, надо подобрать такое тело, которое, получая тело, нагревалось бы меньше всего. Из формулы
получаем, что изменение температуры зависит не только от получения количества теплоты , но и от удаленной тепломкости тела и от его массы .
Масса жидкости всегда больше массы газа того же объема. Из этих сообщений предопочтение следует отдель жидкости. Теперь сравним удельные тепломкости, воспользовись уже упоминавшимся справочником:
| Вещество | Удельная тепломкость, кДж/(кг·К) |
| :— | :— |
| Бензин | 1,4 |
| Вода | 4,2 |
| Воздух | 1 |
| Глицерин | 2,4 |
| Керосин | 2,1 |
| Масло машинное | 1,9 |
Оказывается, иудельные тепломкости больше у жидкости, чем у газов.
Следовательно, свяю надо заполнять жидкость. Но какой? Вода, хотя и самая дешевая и доступная, не подходит, поскольку она зимой замерзает. Глицерин и машинное масло при низких темперарах густеют, что затрудняет конвекцию. Остаются бензин и керосин. Обе жидкости замерзают при температуре ниже —50°С, так что каждая из них могла бы «выдержать» суровые зимние морозы. Однако выбираем все же керосин, поскольку у него больше уделная тепломкость и ондешевле бензина.
Наконец-то мы можем сформировать окончательный ответ задачи.
Итак, чтобы уменьшить подомами, построными на вечной мерзлоте, здания надо строить на свяях; свяи, изготовленные из прочного твердого материалов, внутри должны быть заполнены керосином.
Заметим, что такой способ укрепления мерзлы оснований (уменьшенная подавания грунта под фундаментом) — не фантастика, а реальность. Он детально разработан теоретически и испытан в произвольных условиях условий эксплуатации «нарушения» законом природы. Слушай этот описан в книге А. П. Нечаева «Чудеса без чудес»:
«…Был подан самовар. Из-под крышки валил пар. Стали заваривать чай, и оказалось — вода холодная!».
Добавим только, что описанный случай произошел в конце XIX века, когда самовары, в отличие от современных электрических, были углевыми.