Кілки у дошці підказали фізикам, як сповільнити лавину в лісі

Французькі науковці показали, як ліс може стати перешкодою для сходу лавини чи зсуву ґрунту. В їхньому експерименті дошка зі стовпчиками зменшила швидкість потоку гранул, причому за деяких параметрів незалежно від товщини шару змодельованої лавини. Теоретичні розрахунки фізиків підтвердили, що послабити лавину зможе ліс, в якому дерева ростуть на відстані менш ніж три метри один від одного. Своє дослідження вчені опублікували у Physical Review Fluids.

Що вивчали вчені?

З руйнівним впливом таких небезпечних природних явищ, як-от сходами лавин, селевими потоками, спричиненими вулканізмом пірокластичними потоками і лахарами, можна боротися за допомогою штучних і природних бар'єрів. Вони можуть уповільнювати рух потоків речовини та розсіювати їх. Однак, для ефективного захисту слід розуміти, як саме відбувається взаємодія сипкої речовини з перешкодами на її шляху — наприклад, лісовим масивом. Цим питанням зайнялась команда французьких фізиків з дослідницької лабораторії FAST університету Париж-Сакле.

Який ліс був в експерименті фізиків?

Поведінку снігу в лавині, що котиться через ліс, вчені змоделювали за допомогою нахиленої поверхні з рядами штирів, схожої на дошку Гальтона. По всій ширині дошки вчені сипали однакового розміру гранули (діаметром у 450 мікрометрів), але під різним кутом та з різними відстанями між стовпчиками, вбитими у дошку. Фізики експериментували з дошками без стовпчиків, а також зі стовпчиками, розміщеними на відстані 10,14 і 20 міліметри один від одного. Діаметр стовпчиків та висота складали 2 і 35 міліметрів відповідно, що було вище за шар гранул, який зсипали дошкою.

За допомогою вагів науковці вимірювали масу гранул, які за різні проміжки часу скочувалися по дошці. А за допомогою лазерного далекоміра вчені оцінювали швидкість і товщину потоку. Так вдалося зрозуміти, якими темпами розвивається схід гранул залежно від кількості розміщених стопвчиків-перешкод, а також під кутами скочування від 24,5 до 32,5 градуса.

Стовпчики зупинили лавину?

Результати експерименту показали, що швидкість потоку гранул росте зі збільшенням куту нахилу дошки та товщини шару гранул, але зменшується зі збільшення щільності вбитих у дошку штирів. Причому за найбільшої щільності стовпчиків (один стовпчик на квадратний сантиметр дошки) швидкість гранульованого потоку припиняє залежати від товщини шару.

Теоретична модель, яку побудували фізики, аби описати свій експеримент, зійшлася з його результатами. Її вчені масштабували для випадку справжньої лавини, яка шаром снігу у метр котиться лісом з дерев, діаметром у 20 сантиметрів. Підрахунки свідчать, що дерева мають рости через кожні три метри один від одного, аби знизити швидкість лавини.

Раніше ми розповідали, як завдяки скинутим у воду гранулам фізики змоделювали цунамі, які виникають через обвали ґрунтів.

---