Принцип аткинсона двс: Цикл ОТТО. АТКИНСОНА. МИЛЛЕРА. Что это, какие есть различия в работе ДВС

Содержание

Двигатель Аткинсона, принцип работы, конструкция

Двигатель Аткинсона — это по существу двигатель, работающий по циклу Отто, но с измененным кривошипно-шатунным механизмом. В 1886 Двигатель был предложен английским инженером Джеймсом Аткинсоном для конкурирования с двигателем Отто, но не посягая ни на один из его патентов.

Особенность конструкция рычагов двигателя Аткинсона позволяет совершать все четыре хода поршня всего за один поворот коленчатого вала. Также данная конструкция делает ходы поршня разной длинны: ход поршня во время впуска и выпуска длинне, чем во время сжатия и расширения. Стоит заметить, что аннимированная иллюстрация показывает не оригинальный двигатель, поскольку в оригинальном двигателе Аткинсона ход поршня во время расширения был сделан длиннее чем во время впуска.

Еще одна из особенностей двигателя в том, что кулочки газораспределения (открытия и закрытия клапанов) расположены прямо на коленчатом валу.

Это в свою очередь устраняет потребность отдельной установки распедилительного вала.

В XIX веке двигатель распространения не получил из-за сложной механики. В XXI веке двигатель Аткинсона с компьютерным регулированием времён тактов применяется, например, в автомобилях «Toyota Prius» и «Lexus HS 250h».

Цикл Аткинсона позволяет получить лучшие экологические показатели и экономичность, но требует высоких оборотов. На малых оборотах выдаёт сравнительно малый момент и может заглохнуть.

На Приусе особенно выгодно применение двигателя Аткинсона, так как на малых оборотах он не нагружается. Приус разгоняется электро-мотором, который выдаёт полный момент в широком диапазоне оборотов.

Toyota Prius
Бензиновый двигатель работает по циклу Аткинсона со сжатием 13:1 на обычном супер-бензине (АИ-95).

Время закрытия впускного клапана, обороты и нагрузку на двигатель контролирует бортовой компьютер.

Новый двигатель Audi 2.

0 TFSI работает по циклу Миллера — Авторевю

Представляя новый двигатель на моторном симпозиуме в Вене, функционеры Audi используют непривычный термин «rightsizing», то есть не уменьшение («даунсайзинг»), а оптимизация рабочего объема. Оптимальным оказался объем нынешнего двигателя 2.0 TFSI — 1984 кубических сантиметра. Сохранилась и система питания с комбинированным впрыском: топливо по-прежнему подается и во впускной коллектор, и непосредственно в цилиндры. А главное нововведение — экзотический цикл Миллера вместо привычного цикла Отто.

Этот цикл разработан американцем Ральфом Миллером сразу после Второй мировой войны и представляет собой измененный цикл Аткинсона, который сейчас широко применяется в двигателях тойотовских гибридов. Но если в цикле Аткинсона впускные клапаны закрываются позже обычного, то в цикле Миллера — раньше, еще до того, как поршни достигают нижней мертвой точки. Укороченный такт впуска позволяет увеличить геометрическую степень сжатия двигателя при сохранении фактической (обусловленной детонационными свойствами топлива) и повысить степень расширения продуктов сгорания во время рабочего хода.

В результате — уменьшенный расход топлива.

Но эффективность цикла Миллера оказалась ниже, чем у цикла Аткинсона, и применения на автомобильных моторах он не нашел. Даже двигатель Miller Cycle автомобиля Mazda Xedos 9 девяностых годов на самом деле работал по циклу Аткинсона. Но двигателисты Audi, похоже, довели разработку Миллера до ума.

Дело в том, что полноценный цикл Миллера в новом моторе 2.0 TFSI используется только при частичных нагрузках: такт впуска уменьшен с привычных 190—200 градусов оборота коленвала до 140 градусов. А при высокой интенсивности система регулировки подъема клапанов AVS (Audi Valvelift System) увеличивает ширину такта впуска до 170 градусов, приближая цикл Миллера к распространенному циклу Отто.

Использование «экономичного» цикла Миллера все же отразилось на мощности двигателя: новая турбочетверка 2.0 TFSI развивает 190 л.с. вместо 225 л.с. у нынешнего мотора. Зато не изменившийся максимальный крутящий момент в 320 Нм теперь доступен в более широком диапазоне оборотов: от 1450 до 4000 об/мин. А средний паспортный расход по европейскому циклу NEDC — менее 5,0 л/100 км.

Первой серийной моделью с «миллеровским» двигателем 2.0 TFSI станет новый седан Audi А4, премьера которого намечена на осенний автосалон во Франкфурте. А впоследствии новый мотор «пропишется» и на других моделях концерна Volkswagen.

Необычные двигатели внутреннего сгорания

Уже более 100 лет в легковом автомобилестроение используются двигатели внутреннего сгорания и за все это время никаких революционных изменений в их работе или промышленном строение придумано не было. Однако, недостатков у этих моторов предостаточно. Борьбу с ними инженеры вели всегда, как ведут и по сей день. Случается, что некоторые идеи перерастают в довольно оригинальные и впечатляющие технические решения. Одни из которых так и остаются на стадии разработки, а другие воплощаются в жизнь на некоторых сериях автомобилей.

Поговорим о наиболее интересных инженерных разработках в области «автодвигателей»

Заметные факты истории

Классический четырехтактный мотор был изобретен в далеком 1876 году одним немецким инженером по имени Николаус Отто, цикл работы такого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) прост: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Но уже через 10 лет после варианта Отто британский изобретатель Джеймс Аткинсон предложил усовершенствовать данную схему. На первый взгляд цикл Аткинсона, его порядок тактов и принцип работы такой же как и двигателя, который изобрел немец. Однако, по сути это абсолютно другая и весьма оригинальная система.

Перед тем как мы расскажем об изменениях в классическом строении ДВС, посмотрим о принципе работы такого двигателя, чтобы всем было понятно о чем мы говорим.

3-D модель работы ДВС:

Комментарии и простейшая схема ДВС:

Цикл Аткинсона

Во-первых, в двигателе Аткинсона имеется уникальный коленчатый вал, обладающий смещенными точками крепления.

Такая новация позволила сократить количество потерь на трение и увеличить уровень сжатия двигателя.

Во-вторых, двигатель Аткинсона имеет иные фазы распределения газа. В отличие от двигателя Отто, где клапан впуска закрывается почти сразу после прохождения поршнем нижней точки, в двигателе британского изобретателя такт впуска намного длиннее, в результате чего клапан совершает закрытие, когда поршень уже на полпути к верхней мертвой точке цилиндра. В теории такая система должна была улучшить процесс наполнения цилиндров, что в свою очередь привело бы к экономии топлива и увеличению показателей мощности мотора.

В общем-то, цикл Аткинсона на 10% показательней по эффективности, чем цикл Отто. Но все же серийно автомобили с таким ДВС не выпускались и не выпускаются.

Цикл Аткинсона на практике

А дело все в том, что обеспечить свою нормальную работу такой двигатель может только на повышенных оборотах, при холостых — он так и стремится заглохнуть. Чтобы этого не происходило, разработчики и инженеры пытались внедрить в систему нагнетатель с механикой, но его установка, как выяснилось, сводит практически к нулю все плюсы и достоинства двигателя Аткинсона. В виду этого серийно автомобили с таким двигателем практически не выпускались. Один из самых известных — Mazda Xedos 9/Eunos 800, выпускаемая в 1993-2002 годах. Автомобиль оснащался 2,3-литровым двигателем V6, с мощность в 210 л.с.

Mazda Xedos 9/Eunos 800:

А вот производители гибридных автомобилей с радостью стали применять в разработках данный цикл ДВС. Потому как при малой скорости такая машина движется, используя свой электрический двигатель, а для разгона и быстрой езды ей нужен бензиновый, тут-то и можно по максимуму воплотить в жизнь все достоинства цикла Аткинсона.

Золотниковое газораспределение

Главным источником шума в двигателе автомобиля является газораспределительный механизм, ведь в нем довольно много движущихся частей — различные клапаны, толкатели, распределительные валы и т.д. Многие изобретатели пытались «утихомирить» такой громоздкий механизм. Пожалуй, больше всего это удалось американскому инженеру Чарльзу Найту. Он изобрел свой собственный двигатель.

В нем нет ни стандартных клапанов, ни привода к ним. Заменяют эти детали — золотники, в форме двух гильз, которые размещены между поршнем и цилиндром. Уникальный привод заставлял двигаться золотники в верхнее и нижнее положение, они в свою очередь открывали в нужный момент окна в цилиндре, куда поступало топливо, а в атмосферу выделялись выхлопные газы.

Для начала XX века такая система была довольно бесшумной. Не мудрено, что ей стало интересоваться все большее и большее количество автопроизводителей.

Только вот стоил такой двигатель далеко не дешево, поэтому и прижился он только на престижных марках, типа Mercedes-Benz, Daimler или Panhard Levassor, покупатели которых гнались за максимальным комфортом, а не дешевизной.

Но век мотора, изобретенного Найтом, оказался недолгим. И уже в 30-ые годы прошлого столетия автопроизводители поняли, что двигатели такого типа довольно не практичны, потому как конструкция их не совсем надежна, а высокая степень трения между золотниками увеличивает и расход топлива и масла. Потому-то узнать автомобиль с ДВС такого типа можно было по сизому дымку из выхлопной трубы автомобиля от горящей смазки.

В мировой практике было множество всевозможных решений в области модернизации классического двигателя внутреннего сгорания, однако, его первоначальная схема сохранилась до сих пор. Некоторые автопроизводители конечно же применяют на практике открытия успешных ученых и умельцев, но по своей сути, ДВС — остался прежним.

В статье использованы изображения с сайтов www.park5.ru, www.autogurnal.ru

Необычные двигатели внутреннего сгорания

Цикл Аткинсона

— модифицированный цикл Отто 4-тактного двигателя внутреннего сгорания.

Предложен английским инженером Джеймсом Аткинсоном для обхода патентов Николауса Отто.

В 1886 году Аткинсон предложил изменить соотношение времён тактов цикла Николауса Отто. В двигателе Аткинсона рабочий ход (3-й такт цикла Отто) был увеличен за счёт усложнения кривошипно-шатунного механизма. В XIX веке двигатель распространения не получил из-за сложной механики.

Использование цикла Аткинсона в двигателе позволяло уменьшить потребление топлива и снизить уровень шума при работе за счёт меньшего давления при выпуске. Кроме того, в двигателе Аткинсона для привода газораспределительного механизма не требовалось редуктора, так как коленчатый вал вращался с вдвое меньшей частотой, чем в двигателе Отто. Однако, такой двигатель плохо регулируется дроссельной заслонкой, и на низких оборотах выдаёт сравнительно малый момент. Кроме того, в нём значительно усложнена конструкция кривошипно-шатунного механизма. Существовали и другие разновидности двигателя Аткинсона: двигатели со встречно движущимися поршнями, двигатели с одним поршнем и двумя коленчатыми валами.

История изобретения[править | править код]

Джеймс Аткинсон критически пересмотрев классическую концепцию двигателя, работающего по циклу Отто, понял, что её можно серьёзно улучшить. Так, например, у двигателя Отто на малых и средних оборотах при частично открытой дроссельной заслонке через разрежениe во впускном коллекторе поршни работают в режиме насоса, на что тратится мощность двигателя. При этом усложняется наполнениe камеры сгорания свежим зарядом топливо-воздушной смеси. Кроме этого, часть энергии теряется в выпускной системе, поскольку отработанные газы, покидающие цилиндры двигателя, всё ещё находятся под высоким давлением.

По концепции Аткинсона, впускной клапан закрывается не тогда, когда поршень находится у нижней мертвой точки, а значительно позже. Цикл Аткинсона дает ряд преимуществ.

Во-первых, снижаются насосные потери, так как часть смеси при движении поршня вверх выталкивается во впускной коллектор, уменьшая в нем разрежение.

Во-вторых, меняется степень сжатия. Теоретически онa остается постоянной, так как ход поршня и объем камеры сгорания не изменяются, а фактически за счет запоздалого закрытия впускного клапана уменьшается. А это уже снижение вероятности появления детонационного сгорания топлива, и следовательно — отсутствие необходимости увеличивать обороты двигателя переключением на пониженную передачу при увеличении нагрузки.

Двигатель Аткинсона работает по так называемoмy циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработавших газов используется в течение длительного периода. Это создает условия для более полного использования энергии отработанных газов и обеспечивает более высокую экономичность двигателя.

Основным отличием от цикла работы обычного 4-тактного двигателя (цикла Отто) является изменение продолжительности этих тактов. В традиционном двигателе все 4 такта (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск) одинаковы по продолжительности. Аткинсон же сделал два первых такта короче, а два следующих длиннее и реализовал это за счёт изменения длины ходов поршней. Считается, что его модификация двигателя была продуктивнee традиционной на 10%. В то время его изобретение не нашлo широкого применения, так как имелo большое количество недостатков, основным из которых стала сложность реализации этого изобретения, а именно обеспечение движения поршней с использованием оригинального кривошипно-шатунного механизма.

Позже, в начале 1950-х годов американский инженер Ральф Миллер (англ. Ralph Miller) смог решить эту же задачу по-другому. Такт сжатия был сокращён путём внесения изменений в работу клапанов.Обычно на такте впуска открывается впускной клапан, и до наступления такта сжатия он уже закрыт. Но в цикле Миллера впускной клапан продолжает находиться в открытом состоянии некоторую часть такта сжатия. Таким образом, часть смеси удаляется из камеры сгорания, само сжатие начинается позже и соответственно его степень оказывается ниже. По сравнению с тактом сжатия, такт рабочего хода и выпуска оказываются продолжительными. Именно от них и зависит КПД двигателя. Рабочий ход создает силу для движения, а длительный выпуск лучше сохраняет энергию выхлопных газов.

Второй такт условно разделён на две части. Такую схему иногда называют пятитактным двигателем. В первой части впускной клапан открыт и происходит вытеснение смеси, далее он закрывается, и только тогда происходит сжатие.

На гибридных автомобилях

возможно применение двигателя Аткинсона, так как в них двигатель работает в малом диапазоне частот вращения и нагрузок. Однако на современных автомобилях, таких как Toyota Prius, применяют не двигатель Аткинсона, а его упрощённый аналог, построенный по принципу цикла Миллера. Следует заметить, что номинальная степень сжатия 13:1 данных двигателей не соответствует фактической, т.к. сжатие начинается не сразу в начале хода поршня вверх, а с запозданием, воздушно-топливная смесь некоторое время выталкивается обратно. Поэтому реальная степень сжатия аналогична классическим ДВС цикла Отто. При этом рабочий ход движения поршня вниз становится длиннее обычного, тем самым используя энергию расширяющихся газов с большей эффективностью, что увеличивает КПД и снижает расход топлива. Гибридный автомобиль разгоняется электромотором, который выдаёт полную мощность в широком диапазоне оборотов.

Toyota Prius
Бензиновый двигатель работает по циклу Аткинсона со сжатием 13:1 на бензине (АИ-95).

Время закрытия впускного клапана, обороты и нагрузку на двигатель контролирует бортовой компьютер.

Так в чем же разница?

Статья получилась сложнее, чем я предполагал, но если подвести итог. ТО получается:

ОТТО – это стандартный принцип обычного мотора, которые сейчас стоят на большинстве современных автомобилей

АТКИНСОН – предлагал более эффективный ДВС, за счет изменения степени сжатия при помощи сложной конструкции из рычагов которые подсоединялись к коленчатому валу.

ПЛЮСЫ — экономия топлива, эластичнее мотор, меньше шума.

МИНУСЫ – громоздкая и сложная конструкция, низкий крутящий момент на низких оборотах, плохо управляется дроссельной заслонкой

В чистом виде сейчас практически не применяется.

МИЛЛЕР – предложил использовать пониженную степень сжатия в цилиндре, при помощи позднего закрытия впускного клапана. Разница с АТКИНСОНОМ огромна, потому как он использовал не его конструкцию, а ОТТО, но не в чистом виде, а с доработанной системой ГРМ.

Предполагается что поршень (на такте сжатия) идет с меньшим сопротивлением (насосные потери), и лучше геометрически сжимает воздушно-топливную смесь (исключая ее детонацию), однако степень расширения (при воспламенении от свечи) остается почти такая же, как и в цикле ОТТО.

ПЛЮСЫ — экономия топлива (особенно на низких оборотах), эластичность работы, низкий шум.

МИНУСЫ – уменьшение мощности при высоких оборотах (из-за худшего наполнения цилиндров).

Стоит отметить, что сейчас принцип МИЛЛЕРА используется на некоторых автомобилях при невысоких оборотах. Позволяет регулировать фазы впуска и выпуска (расширяя или сужая их при помощи фазовращателей). Так двигатель SKYACTIV, на низких оборотах работает по принципу МИЛЛЕРА, а на высоких по принципу ОТТО. В чистом виде МИЛЛЕР (однако, почему то он называется АТКИНСОН) работает на гибридах ТОЙОТА.

Сейчас видео версия смотрим

НА этом я заканчиваю, думаю было полезно и интересно. Рассказывайте своим друзьям (кидайте им ссылку на статью или видео), будет еще много интересных материалов. ИСКРЕННЕ ВАШ, АВТОБЛОГГЕР.

(9 голосов, средний: 3,89 из 5)

Дизайн

Аткинсон произвел три различных конструкции с коротким ходом сжатия и более длинным ходом расширения. Первый двигатель с циклом Аткинсона, дифференциальный двигатель

, использовал оппозитные поршни. Второй и наиболее известной конструкцией был
циклический двигатель
, в котором использовался центральный рычаг для создания четырех тактов поршня за один оборот коленчатого вала. Поршневой двигатель имел потребление, сжатие, мощность и выхлопные удары в четырехтактном цикле в одном повороте коленчатого вала , и был разработан , чтобы избежать нарушений определенных патентов , охватывающих Отто цикла двигателей. Третий и последний двигатель Аткинсона,
утилитарный двигатель
, работал так же, как любой двухтактный двигатель.

Общей чертой всех конструкций Аткинсона является то, что у двигателей ход расширения длиннее хода сжатия, и с помощью этого метода двигатель достигает большей тепловой эффективности, чем традиционный поршневой двигатель. Двигатели Аткинсона были произведены British Gas Engine Company, а также лицензированы для других зарубежных производителей.

Многие современные двигатели теперь используют нетрадиционные фазы газораспределения, чтобы добиться эффекта более короткого хода сжатия / более длительного рабочего хода. Миллер применил эту технику к четырехтактному двигателю, поэтому его иногда называют циклом Аткинсона / Миллера, патент США 2817322 от 24 декабря 1957 года. В 1888 году Харон подал французский патент и представил двигатель на Парижской выставке 1889 года. Газовый двигатель Charon (четырехтактный) использовал цикл, аналогичный Миллеру, но без нагнетателя. Его называют «циклом Харона».

Современные конструкторы двигателей осознают потенциальные улучшения топливной эффективности, которые может обеспечить цикл типа Аткинсона.

Цикл Аткинсона

Николаус Отто, инженер из Германии, предложил в 1876 году цикл, состоящий из:

впуска;
сжатия;
рабочего хода;
выпуска.

А десятилетие спустя английский изобретатель Джеймс Аткинсон развил его. Однако, разобравшись в деталях, можно назвать совершенно оригинальным видом цикл Аткинсона.

Двигатели внутреннего сгорания качественно отличаются. Ведь коленчатый вал имеет смещенные точки крепления, благодаря чему потеря энергии при трении сокращена, а степень сжатия увеличена.

Также на нем присутствуют иные газораспределительные фазы. На обычном двигателе поршень закрывается сразу же после прохождения мертвой точки. Иную схему имеет цикл Аткинсона. Здесь такт существенно длиннее, так как клапан закрывается только на половине пути поршня к верхней мертвой точке (где по Отто уже происходит сжатие).

Теоретически цикл Аткинсона эффективнее Отто приблизительно на десять процентов. Однако долго его не применяли на практике из-за того, что он способен функционировать в рабочем режиме лишь при больших оборотах. Дополнительно необходим механический нагнетатель, с которым иногда называют все это «цикл Аткинсона-Миллера». Однако оказывалось, что с ним преимущества рассматриваемой разработки терялись.

Поэтому в легковых автомобилях такой цикл Аткинсона на практике почти не применялся. Но вот в гибридных моделях, наподобие Toyota Prius, производители стали использовать его даже серийно. Это стало возможным благодаря специфической работе этих видов движков: на небольшой скорости автомобиль передвигается за счет электрической тяги и лишь при разгоне переходит на бензиновый агрегат.

Газораспределение

Первый двигатель по циклу Аткинсона имел громоздкий газораспределительный механизм, издающий большой шум. Но когда благодаря открытию американца Чарльза Найта вместо привычных клапанов с приводом стали использовать специальные золотники в форме пары гильз, которые устроили между цилиндром и поршнем, мотор почти перестал шуметь. Однако сложность используемой конструкции обходилась совсем недешево, но в престижных марках машин автовладельцы были готовы платить за такое удобство.

Тем не менее уже в тридцатых годах от такого усовершенствования отказались, потому что двигатели были недолговечными, а расход бензина и масла являлся слишком большим.

Разработки двигателей в этом направлении известны и сегодня — может быть, инженерам удастся избавиться от недостатков модели Чарльза Найта и воспользоваться преимуществами.

Универсальная модель будущего

В настоящее время многими производителями ведутся разработки универсальных двигателей, где будут совмещены и мощность бензиновых агрегатов, и отличная тяга и экономичность дизелей.

В этом отношении уже то, что бензиновые агрегаты, имеющие непосредственный впрыск топлива, достигли высокого показателя сжатия порядка тринадцати-четырнадцати единиц (у дизельных моторов этот уровень является немногим больше семнадцати-девятнадцати), доказывает успешные шаги в этом направлении. Они даже работают так же, как и агрегаты с воспламенением от сжатия. Только рабочая смесь должна искусственно поджигаться свечой.

В экспериментальных моделях сжатие доходит еще выше – до пятнадцати-шестнадцати единиц. Но до самовоспламенения пока уровень не дотягивается. Зато свеча отключается при равномерном движении, благодаря чему двигатель переходит на режим, подобный дизелю, и потребляет мало топлива.

Сгорание регулируется электроникой, вносящей коррективы в зависимости от внешних обстоятельств.

Разработчики уверяют, что такой двигатель является очень экономичным. Однако для серийного производства исследований проводилось недостаточно.

Современные дизели для автомобилей

Как у бензинового мотора по циклу Отто, так и у дизеля, принципиальная схема построения не изменилась, зато современный дизельный ДВС «оброс» дополнительными узлами: турбокомпрессором, электронной системой управления подачи топлива, интеркулером, различными датчиками и так далее. Последнее время все чаще разрабатываются и запускаются в серию силовые агрегаты с прямым топливным впрыском «Коммон Рэйл», обеспечивающие экологичный выхлоп газов в соответствии с современными требованиями, высокое давление впрыска. Дизели с непосредственным впрыском обладают достаточно ощутимыми преимуществами перед моторами с обычной топливной системой:

экономично расходуют топливо;
имеют более высокую мощность при том же объеме;
работают с низким уровнем шума;
позволяет автомобилю быстрее разгоняться.

Недостатки движков Common Rail: достаточно высокая сложность, необходимость при ремонте и обслуживании использовать специальное оборудование, требовательность к качеству солярки, относительно высокая стоимость. Как и бензиновые ДВС, дизели постоянно совершенствуются, становятся все технологичнее и сложнее. Видео: Цикл ОТТО, Аткинсона и Миллера, в чем различие:

Статьи по теме:

Детонация двигателя – причины возникновения, способы устранения Современные автомобили оснащаются четырехтактными бензиновыми и дизельными моторами, которые были разработаны еще в конце 19-го столетия, несмотря на значительный прогресс в […]
Возможные способы увеличения мощности двигателя своими руками Тюнинг автомобильного мотора – популярная тема на многих форумах, нередко автовладельцы недовольны динамикой своей машины, зачастую хочется лучших технических характеристик ДВС на малых и […]
Раскоксовка поршневых колец димексидом: способ применения, отзывы автовладельцев Раскоксовка поршневых колец димексидом: способ применения, отзывы автовладельцев В процессе эксплуатации легкового автомобиля постепенно изнашиваются детали двигателя внутреннего сгорания […]

Переменная степень сжатия

Показатель является очень важным. Ведь мощность, коэффициент полезного действия и экономичность напрямую зависят от высокой степени сжатия. Естественно, повышать бесконечно ее нельзя. Поэтому с некоторых пор развитие остановилось. В противном случае появлялся риск детонации, которая могла привести к порче двигателя.

Особенно сильно этот показатель отражается на моторах с наддувом. Ведь нагреваются они сильнее, а поэтому и процент вероятности срабатывания детонации здесь существенно выше. Поэтому степень сжатия иногда приходится снижать, из-за чего, естественно, и падает эффективность мотора.

В идеале степень сжатия должна меняться плавно в зависимости от рабочего режима и нагрузки. Разработок было очень много, но все они слишком сложные и дорогостоящие.

Легендарный Saab

Лучших результатов удалось достигнуть компании Saab, когда она в 2000 году выпустила пятицилиндровый мотор, который при 1,6 литрах объема выдавал порядка двухсот двадцати пяти лошадей. Это достижение и сегодня кажется невероятным.

Двигатель разделен надвое, где части соединены друг с другом шарнирным способом. Снизу расположен коленчатый вал, шатуны и поршни, а наверху – цилиндры с головками. Гидропривод способен наклонять моноблок с цилиндрами и головками, изменяя степень сжатия при включении приводного компрессора. Несмотря на всю эффективность, разработки также пришлось отложить из-за дороговизны конструкции.

Роторный двигатель с циклом Аткинсона

Цикл Аткинсона можно использовать в роторном двигателе . В этой конфигурации может быть достигнуто увеличение как мощности, так и КПД по сравнению с циклом Отто. Этот тип двигателя сохраняет одну фазу мощности на оборот вместе с различными объемами сжатия и расширения исходного цикла Аткинсона.

Выхлопные газы удаляются из двигателя продувкой сжатым воздухом. Эта модификация цикла Аткинсона позволяет использовать альтернативные виды топлива, такие как дизельное топливо и водород.

К недостаткам этой конструкции относятся требование, чтобы наконечники ротора очень плотно прилегали к внешней стенке корпуса, а также механические потери, возникающие из-за трения между быстро колеблющимися частями неправильной формы. См. Внешние ссылки ниже для получения дополнительной информации.

Транспортные средства с двигателями цикла Аткинсона

Хотя модифицированный поршневой двигатель с циклом Отто, использующий цикл Аткинсона, обеспечивает хорошую топливную экономичность, это происходит за счет более низкой мощности на рабочий объем по сравнению с традиционным четырехтактным двигателем. Если потребность в дополнительной мощности является прерывистой, мощность двигателя может быть дополнена электродвигателем в периоды, когда требуется больше мощности. Это составляет основу гибридной электрической трансмиссии на основе цикла Аткинсона . Эти электродвигатели могут использоваться независимо от двигателя с циклом Аткинсона или в сочетании с ним, чтобы обеспечить наиболее эффективные средства производства желаемой мощности. Эта трансмиссия впервые была запущена в производство в конце 1997 года на Toyota Prius первого поколения .

По состоянию на июль 2021 года во многих трансмиссиях серийных гибридных автомобилей используются концепции цикла Аткинсона, например:

Chevrolet Volt
Chrysler Pacifica (передний привод) подключаемая гибридная модель минивэн
Ford C-Max (передний привод / рынок США) гибридные и подключаемые гибридные модели
Ford Escape / Mercury Mariner / Mazda Tribute electric (передний и полный привод) со степенью сжатия 12,4: 1
Ford Fusion Hybrid / Mercury Milan Hybrid / Lincoln MKZ Hybrid электрический (передний привод) со степенью сжатия 12,3: 1
Подключаемый модуль Honda Accord Hybrid
Honda Accord Hybrid (передний привод)
Подключаемый модуль Honda Clarity Hybrid
Honda Insight (передний привод)
Honda Fit (передний привод) некоторые двигатели 3-го поколения переключаются между циклами Аткинсона и Отто.
Hyundai Sonata Hybrid (передний привод)
Hyundai Elantra Atkinson-модели цикла
Hyundai Grandeur hybrid (передний привод)
Hyundai Ioniq hybrid, подключаемый гибрид (передний привод)
Hyundai Palisade 3,8 л Лямбда II V6 GDi
Infiniti M35h hybrid (задний привод)
Kia Forte 147 л.с. только бензин 2.0 (передний привод)
Kia Niro hybrid (передний привод)
Kia Optima Hybrid Kia K5 hybrid 500h (передний привод) со степенью сжатия 13: 1
Kia Cadenza Hybrid Kia K7 hybrid 700h (передний привод)
Киа Теллурид 3.8 Лямбда II V6 GDi
Kia Seltos 2.0L (передний привод)
Lexus CT 200h (передний привод)
Lexus ES 300h (передний привод)
Lexus GS 450h hybrid electric (задний привод) со степенью сжатия 13: 1
Lexus RC F (задний привод)
Lexus GS F (задний привод)
Lexus HS 250h (передний привод)
Lexus IS 200t (2016)
Lexus NX hybrid electric (полный привод)
Lexus RX 450h hybrid electric (полный привод)
Lexus LC (задний привод)
Mazda Mazda6 (2013 для 2014 модельного года)
Mercedes ML450 Hybrid (полный привод) электрический
Mercedes S400 Blue Hybrid (задний привод) электрический
Mitsubishi Outlander PHEV (2018 для 2021 модельного года, подключаемый гибридный полный привод)
Renault Captur MK2 (PHEV)
Renault Clio MK5 (HEV)
Renault Mégane MK4 (PHEV)
Subaru Crosstrek Hybrid (2018 на 2021 модельный год, полный привод)
Toyota Camry Hybrid electric (передний привод) со степенью сжатия 12,5: 1
Toyota Avalon Hybrid (передний привод)
Toyota Highlander Hybrid (2011 г. Б
США 336505 , J. Atkinson, «газовый двигатель», выпущенный 1886-02-16
Клерк, Дугальд (1913). Газовый, бензиновый и масляный двигатель, Том 2
. Дж. Вили. п. 210.
Хейвуд, Джон Б. Основы двигателя внутреннего сгорания
, стр. 184-186.
Готье, Майкл (2013-01-21). «Honda Accord Plug-in Hybrid заслужил титул самого экономичного седана в Америке» . worldcarfans.com
. Проверено 22 января 2013 .
«2018 Honda Clarity Plug-in Hybrid» . www.honda.ca
. Архивировано из оригинала на 2018-01-26 . Проверено 25 января 2018 .
«2018 Honda Insight Hybrid» . www.honda.ca
. Проверено 14 июля 2021 .
«2016 Lexus IS — Производительность» . США: Lexus . Проверено 9 августа 2021 .
«2019 Outlander PHEV» . США: Mitsubishi . Проверено 23 февраля 2018 .
Эдмундс, Дэн (24 сентября 2010 г.). «Дорожные испытания гибридного автомобиля Toyota Highlander 2011 года» . Edmunds.com . Проверено 4 июля 2012 .

Рабочий цикл в четырехтактном двигателе совершается за

Статья опубликована 26.06.2014 06:34 Последняя правка произведена 21.07.2015 08:36 Бензиновые двигатели

– одна из разновидностей ДВС (двигателей внутреннего сгорания) в которых поджег смеси из воздуха и топлива, осуществляется в цилиндрах, посредством искр от свечей зажигания. Роль регулятора мощности выполняет дроссельная заслонка, которая регулирует поток поступающего воздуха.

Существует несколько видов дросселей, например карбюраторная дроссельная заслонка, регулирует количество поступающего в цилиндры ДВС топлива. Она состоит из пластины, закрепленной на главной вращающейся оси и помещенной в трубке, по которой и протекает топливо. Вращая пластинку, можно регулировать пропускную способность трубки (если пластинка находится в перпендикулярном положении относительно трубки, то топливо поступать не будет). Дроссель управляется водителем, наиболее распространена двойная система привода: ножная от педали и ручная от рычага или кнопки. При использовании педали, кнопка ручного управления блокируется, а при вытягивании кнопки ручного управления опускается педаль. В дальнейшем, дроссель опять открывается педалью, но при опускании педали, он остается в положении, установленным ручным управлением.

Классификация бензиновых двигателей:

По кол-ву цилиндров

– одноцилиндровые, двухцилиндровые, многоцилиндровые;

По системе охлаждения

– двигатели с жидкостной и воздушной СО.

По типу смазки

– смешанные (топливная смесь перемешивается с маслом), раздельный тип (масло заливается в картер).

По виду применяемого топлива:

бензиновые или многотопливные.

По степени сжатия.

Подразделяют двигатели высокого (E=12…18) и низкого (E=4…9) сжатия.

По способу смесеобразования

— подразделяют на двигатели с внешним смесеобразованием, топливная смесь готовится вне цилиндров двигателя (газовые и карбюраторные), и двигатели с внутренним смесеобразованием (инжекторные – рабочая смесь образуется внутри цилиндров).

По размещению цилиндров

– V-образные, у которых цилиндры располагаются под углом (если угол составляет 180 градусов, то двигатель является оппозитным [с противолежащими цилиндрами]). В «рядных» двигателях цилиндры располагаются вертикально или горизонтально в один ряд.

По способу осуществления рабочего цикла

– двухтактные и четырехтактные.
Двухтактные двигатели
обладают большей мощностью на единицу объема, однако проигрывают в КПД. Поэтому они нашли свое применение там, где важна компактность, а не экономичность (мотоциклы, моторные лодки, бензопилы и другие моторизованные инструменты).
Четырехтактные двигатели
доминируют в остальных средствах передвижения. Интересен тот факт, что двухтактные дизельные двигатели лишены многих недостатков двухтактных бензиновых двигателей, однако применяются в основном на больших судах (иногда на тепловозах и грузовиках).

По частоте вращения:

малооборотистые, повышенной частоты вращения, высокооборотистые.

По предназначению:

стационарные, судовые, автотракторные, авиационные, тепловозные и др.

По способу подачи топлива:

существуют атмосферные двигатели, в которых поступление топлива осуществляется за счет разницы атмосферного давления и давления внутри двигателя, при всасывающем ходе поршня; в двигателях с наддувом горючая смесь подается в цилиндр под давлением, которое поддерживается турбокомпрессором, для увеличения мощности двигателя.

Цикл МИЛЛЕРА

Ральф Миллер также решил поиграться со степенью сжатия, в 1947 году. То есть он как бы продолжит работу АТКИНСОНА, но взял не его сложный двигатель (с рычагами), а обычный ДВС ОТТО.

Что он предложил. Он не стал делать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как предлагал Аткинсон, у него поршень движется быстрее вверх, чем вниз). Он придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршней вверх и вниз одинаковым (классический мотор ОТТО).

Можно было пойти двумя способами:

Закрывать впускные клапана раньше окончания такта впуска – такой принцип получил название «Укороченный впуск»
Либо закрывать впускные клапана позже такта впуска – этот вариант получил названия «Укороченного сжатия»

В конечном итоге, оба принципа дают одно и тоже – уменьшение степени сжатия, рабочей смеси относительно геометрической! Однако сохраняется степень расширения, то есть такт рабочего хода сохраняется (как в ДВС ОТТО), а такт сжатия как бы сокращается (как в ДВС Аткинсона).

Простыми словами — воздушно-топливная смесь у МИЛЛЕРА сжимается намного меньше, чем должна была сжиматься в таком же моторе у ОТТО. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия, и соответственно физическую степень расширения. Намного большую, чем обусловлено детонационными свойствами топлива (то есть бензин нельзя сжимать бесконечно, начнется детонация)! Таким образом, когда топливо воспламеняется в ВМТ (верней мертвой точке), оно имеет намного большую степень расширения чем у конструкции ОТТО. Это дает намного больше использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что и повышает тепловую эффективность конструкции, что влечет высокую экономию, эластичность и т.д.

Стоит также учитывать, что на такте сжатия уменьшаются насосные потери, то есть сжимать топливо у МИЛЛЕРА легче, требуется меньше энергии.

Отрицательные стороны – это уменьшение пиковой выходной мощности (особенно на высоких оборотах) из-за худшего наполнения цилиндров. Чтобы снять такую же мощность как у ОТТО (при высоких оборотах), мотор нужно было строить больше (объемнее цилиндры) и массивнее.

На современных моторах

Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех основных этапов – тактов:

1. Впуск.

На этом такте происходит перемещение поршня из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю (НМТ). Кулачки распределительного вала открывают впускной клапан, через который в цилиндр всасывается новая горючая смесь.

2. Сжатие.

Поршень переходит в прежнее состояние (из НМТ в ВМТ), сжимая при этом рабочую смесь. Согласно термодинамике, температура рабочей смеси увеличивается. Степенью сжатия называется отношение рабочего объема цилиндра в НМТ к объему камеры сгорания в ВМТ. Это очень важный параметр, на практике, чем он больше, тем экономичнее двигатель. Однако и тут есть противоречия, для двигателей с высокой степенью сжатия требуется особенное топливо, с более высоким октановым числом, которое стоит дороже.

3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня).

Перед завершением цикла сжатия смесь топлива и воздуха поджигается искрой от свечи зажигания. Топливо сгорает во время движения поршня из ВМТ в НМТ, образуется газ, который расширяется, толкая поршень. Углом опережения зажигания называется степень «недоворота» коленвала двигателя до ВМТ при поджигании смеси. Необходимость преждевременного зажигания обосновывается тем, что процесс воспламенения горючей смеси медленный относительно скорости работы поршневых систем двигателя. Только в том случае, когда основная масса топлива успеет воспламениться, польза от использования энергии сгоревшего топлива будет максимальной. Процесс сгорания топлива занимает фиксированное время, поэтому, при повышении оборотов двигателя, необходимо увеличивать угол опережения зажигания, для повышения эффективности работы двигателя. Раньше, в старых автомобилях, использовалось механическое устройство (центробежный и вакуумный регулятор, который воздействовал на прерыватель). Сейчас в автомобилях установлена электроника, которая отвечает за определение угла опережения зажигания, работающая по емкостному принципу.

4. Выпуск.

В последнем такте происходит вытеснение отработанных газов из цилиндра через выпускной клапан. Поршень перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю, при достижении которой цикл начинается сначала. При этом совсем не необходимо, чтобы начало нового цикла совпадало с окончанием предыдущего. Положение, в котором открыты сразу два клапана: впускной и выпускной, называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов способствует лучшему наполнению цилиндров топливом, а также более качественной очистки цилиндров от продуктов сгорания.

В четырёхтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом.

Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива.

— Такт расширения, или рабочий ход При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления (ТНВД). Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход.

— Такт выпуска Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

На этом видео показана работа реального двигателя. Камера встроена в цилиндр блока.

Двухтактный двигатель.

Двухтактный и четырехтактный цикл схожи лишь тем, что в них присутствует сжатие и расширение рабочего тела. Такты наполнения топливом двигателя и его последующей очистки от продуктов сгорания заменены продувкой двигателя вблизи НМТ положения поршня. А весь рабочий цикл укладывается в течение одного оборота коленвала.

Если говорить о двухтактном цикле, то он делится на следующие такты: изначально, поршень поднимается вверх, сжимая рабочую смесь в цилиндре, а также создавая разрежение в кривошипной камере. Клапан впускного коллектора открывается от воздействия этого разряжения, и новая порция горючей смеси (зачастую с добавлением масла) втягивается в кривошипную камеру. При опускании поршня вниз закрывается клапан в кривошипной камере, а также повышается давление. В остальном же: поджег, сгорание топлива, и расширение рабочего тела происходят идентично, как и в четырехтактных двигателях. Но есть один нюанс, в момент, когда поршень опускается, примерно за 60° до НМТ открывается выпускное окно (поршень перестает его перекрывать). Выхлопные газы, находящиеся под большим давлением, устремляются в выпускной коллектор через это окно. Немного позже, поршень открывает и впускное окно, которое расположено со стороны впускного коллектора. Новая порция топлива из кривошипной камеры, попадает в рабочий объем цилиндра, под воздействием опускающегося поршня, и вытесняет оставшиеся отработанные газы. При этом, небольшая часть рабочей смеси попадает в выпускной коллектор, однако на обратном ходе поршня она втягивается обратно в кривошипную камеру.

Комбинированная силовая установка

У двигателя внутреннего сгорания отработавшие газы имеют в конце процесса расширения температуру выше 1000 °C, но использовать их теплоту путем дальнейшего расширения в поршневом двигателе очень трудно.

Перевод газа с температурой 1000 °C из одного двигателя в другой связан с большими тепловыми потерями и техническими трудностями. В частности, поршневой двигатель с классическим кривошипным механизмом для дальнейшего расширения отработавших газов с такой температурой непригоден вследствие его размеров и массы.

Для использования энергии большого количества отработавших газов со сравнительно низким давлением наиболее пригодна газовая турбина. Она обычно и применяется для повторного цикла расширения газов и служит при этом либо для привода центробежного компрессора, подающего воздух в двигатель (двигатели с газотурбинным наддувом), либо передает свою мощность (например, через зубчатую передачу) непосредственно на коленчатый вал двигателя (так называемый турбокомпаундный двигатель).

Для использования теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания может быть применен и цикл Ранкина. Отработавшие газы, нагревают жидкость (например, фреон), пары которой поступают в роторный двигатель. Этот двигатель имеет меньшие размеры и лучше сбалансирован, чем поршневой с кривошипным механизмом.

Конструкция такой комбинированной силовой установки (рис. 6 и 7) уже испытывается. Однако следует учитывать, что в ней можно использовать лишь некоторую часть энергии отработавших газов, соответствующую КПД цикла Ранкина.

Рис. 6. Комбинированная силовая установка:

1 – двигатель внутреннего сгорания; 2 – роторный двигатель на фреоне; 3 – ротор; 4 – вращающийся впускной золотник; 5 – тарельчатый выпускной клапан; 6 – выпускная труба.

Рис. 7. Схема комбинированной силовой установки:

1 – двигатель внутреннего сгорания; 2 – выпускная труба; 3 – теплообменник «отработавшие газы – фреон»; 4 – насос подачи фреона; 5 – дроссельный клапан подачи паров фреонов; 6 – роторный двигатель на фреоне; 7 – муфта свободного хода; 8 – теплообменник «фреон – вода»; 9 – бак с фреоном; 10 – водяной насос двигателя; 11 – радиатор двигателя; 12 – конденсатор воды из отработавших газов двигателя.

Кроме описанной схемы с роторным двигателем на фреоне, известны также испытания комбинированной установки, состоявшей из двигателя внутреннего сгорания (США) с турбонаддувом мощностью 212 кВт и паровой турбины, пар в которую поступал из котла, нагреваемого теплотой отработавших газов двигателя. Установленный на грузовом автомобиле для магистральных перевозок двигатель «Мак» работает большей частью с полной мощностью и потому наиболее пригоден для использования теплоты отработавших газов. Паровая турбина в опытах развила мощность 40 кВт, что соответствовало повышению мощности и, следовательно, экономичности установки на 19 %.

Последнее обновление 24.03.2014 Опубликовано 13.03.2014

Наверх

Принцип работы гибридных автомобилей

Устройство и принцип работы

ДВС. Его вес и объём традиционно меньше, чем у классических авто с топливной системой. Дефорсирована (уменьшена) и мощность. Большинство моделей работает не по традиционному циклу Отто, а по мягкому циклу Аткинсона или Миллера. У ДВС с мягким циклом эффективно сжигается топливо, улучшен газообмен в цилиндрах, уменьшено детонационное сгорание в режиме полной нагрузки, уменьшено разрежение (соответственно, меньше насосные потери). Цикл Миллера популярен у двигателей Volkswagen. Цикл Аткинсона активно используют концерн Toyota, Mazda, Lexus. Если в цикле Отто впускной клапан закрывается почти сразу, то в мягких циклах Аткинсона и Миллера клапан закрывается на половине пути при направлении к верхней мертвой точке. Сжатие происходит значительно позже нежели чем при цикле Отто у традиционных ДВС. Это благоприятно сказывается на экологических нормах. Казалось бы, почему тогда мягкий цикл не хотят использовать не на гибридах. Дело в том, что этот цикл плохо подходит при работе двигателя на малых оборотах. ДВС может элементарно заглохнуть. Для обычного – не гибридного транспортного средства это недопустимо. Но у гибридов два мотора. И легко подстраховаться.
Электромотор. Не просто способен запустить машину, а открывает возможности для того, чтобы получить электроэнергию, которая будет использоваться для подзарядки АКБ. Может быть выполнен встроенным в силовую установку или размещаться автономно.
Трансмиссия. Передает крутящий момент от двигателя к ведущим колесам. Компоненты такие же, как у иного автомобиля: главная и карданная передачи, полуоси, дифференциал для распределения крутящего момента, сцепление, коробка передач. Конкретное количество элементов трансмиссии зависит от схемы гибридной установки. Например, у решения с последовательной схемой не полностью отсутствует сцепление и коробка передач. Если же коробка передач – в наличии, то в трансмиссии гибрида может быть механического, автоматического, гибридного исполнения. Последний вариант распространен, например, у машин Toyota. В этом случае есть полное разветвление потоков мощности. Благодаря трансмиссии с такой коробкой нагрузки на двигатель снижаются, расход топлива ДВС – меньше. Если вам нужен практический опыт по работе с трансмиссией, то на базе LCMS есть специальный полезный модуль “Анализ ситуации: гибридная и электрическая трансмиссия”.
Топливный бак . На небольших легковых гибридах стоят баки с объёмом до 50 л, на кроссоверах и бизнес-седанах – 60- 70 мл.
Аккумулятор. На транспортное средство монтируется высоковольтная и обычная батарея на 12 (В) для питания бортовой сети. До запуска всех систем транспортного средства питание идет от 12-Вой батареи, и только потом в работу включается высоковольтная батарея (она может функционировать только при создании условий полного охлаждения).
Генератор. Вырабатывает электроэнергию. Минимизируя нагрузку на ДВС.
Инвертор. Плавно изменяет величину напряжения. Используется для распределения энергии, для выработки высоковольтной батареей трехфазного тока.

Принцип работы гибридного автомобиля

Особенности гибридных автомобилей

Типы гибридных агрегатов

«Умеренные» или мягкие. Постоянно работает ДВС. Электромотор дополняет, поддерживает его. Главная цель – усилить мощность и эффективность двигателя. Примеры – Mercedes S 400 HYBRID, Honda-IMA.
«Полные». Приводятся в движение электромотором на любом этапе движения: при поддержании стабильной скорости, при ускорении. На электрической тяге транспортное средство способно двигаться на достаточно большое расстояние. Аккумуляторную батарею от сети подзарядить нельзя. Пример – BMW X6 ActiveHybrid.
Plug-in, передвигается как комбинированно: от ДВС + электротяги, так и только электричества. Только на батареях могут ездить, преимущественно, на средние расстояния. Как заряжать гибридный автомобиль такого типа, вопросов не возникает: авто легко подзарядить от розетки, как электрокар, а бензин из топливного бака у Plug-in активно преобразуется в электричество и сохраняется в батареях. Примеры — Toyota Prius PHV, Mitsubishi Outlander PHEV, Chevrolet Volt, Opel Ampera.

Схемы взаимодействия работы электродвигателя и ДВС

Последовательная схема

Крутящий момент от ДВС передается генератору.
Генератор вырабатывает электричество и заряжает аккумуляторы.
Транспортное средство движется на электротяге.

Коробка передач у транспортных средств с последовательной схемой отсутствует. Батареи ставятся чаще всего никель-металлогидридные. При отключении ДВС авто хватает мощности и заряда для движения самостоятельно.

Параллельная схема

Последовательно-параллельная схема

Преимущества использования гибридных автомобилей

Независимость. Есть возможность ездить от топлива или электротяги.
Существенное снижение расхода топлива даже в комбинированном режиме работы мотора.
Существенно меньше вpeдныx выбpocoв в атмосферу по сравнению с машинами, оснащенными только ДВС.
Возможность подстраховаться, если электромотор невозможно подзарядить от сети. Машина начинает ездить как обычное транспортное средство, заправленное топливом.
Высокая эффективность при paбoтe нa xoлocтoм xoду и экономичность. Особенно это ощутимо при передвижении в условиях плотного трафика по городу (при правильном выборе гибрида под эти условия).
Малошумность. Наиболее низкий уровень шума достигается во время движения на электрической тяге при езде на средней скорости.
В холодное время года гибридный автомобиль (в отличие от транспортных средств, которые работают на дизтопливе) при корректном режиме эксплуатации (подробнее о нём — чуть ниже) нечувствительны к температуре окружающей среды.

Недостатки владения гибридными авто

Обслуживание и эксплуатация гибрида

Автомобиль плохо или вообще не заводится.
Есть проблемы с разгоном.
Ощутимы плавающие обороты, «троение» двигателя.
Растёт расход топлива.
Замечено превышение уровня СО.
Сломаны рулевые рейки.
Вышли из строя турбины.

Проверку состояния высоковольтной батареи.
Проверку параметров ДВС.
Выявление ошибок посредством компьютерной диагностики.

циркуляционный насос системы охлаждения инвертора (помпы) — каждые 120 тыс. км пробега;
антифриз — каждые 2 года.

Каковы перспективы HEV и PHEV?

Снижения веса батареи и автомобиля. Решение вопроса с батареей некоторые производители видят в переходе от никель-металл-гидридных и биполярных никель-водородных аккумуляторов.
Увеличение пробега при работе на электротяге.
Улучшение уровня поглощения ударных нагрузок.

Необычные двигатели внутреннего сгорания

Другой цикл

В начале ХХ века тихие бесклапанные моторы устанавливались на многие престижные модели. К примеру, под капотом этого шикарного “Daimler Double Six 40/50” стоял именно такой двигатель.

“Mazda Millenia/Xedos 9” – один из немногих массовых автомобилей, который оснащался двигателем Аткинсона.

ОБЫЧНЫЙ 4-тактный двигатель работает по циклу, изобретенному еще в 1876 году немецким инженером Николаусом Отто: в цилиндре при определенных условиях попеременно происходят определенные процессы – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. В 1886 году эту схему попытался усовершенствовать британский инженер Джеймс Аткинсон.

На первый взгляд его двигатель мало отличался от прародителя – тот же порядок тактов, схожий принцип работы… Однако на самом деле различий было немало. К примеру, за счет специального коленвала со смещенными точками крепления Аткинсону удалось снизить потери на трение в цилиндре и поднять степень сжатия мотора.

Также в подобных двигателях другие фазы газораспределения. Если на обычном ДВС впускной клапан закрывается практически сразу по прохождении поршнем нижней мертвой точки, то в цикле Аткинсона такт впуска значительно длиннее – клапан закрывается лишь на полпути поршня к верхней мертвой точке, когда в цикле Отто уже вовсю идет такт сжатия.

Что это дало? Самое главное – лучшее наполнение цилиндров благодаря снижению так называемых насосных потерь. Не вдаваясь в технические подробности, лишь скажем, что в результате двигатель Аткинсона примерно на 10% эффективнее (и экономичнее) обычного ДВС.

Однако на серийных автомобилях моторы, действующие по схеме Аткинсона, до последнего времени не встречались. Дело в том, что такой двигатель может правильно работать и выдавать хорошие показатели лишь на высоких оборотах. А на холостых он, наоборот, норовит заглохнуть. Чтобы решить проблему наполнения цилиндров на малых оборотах, на подобные моторы приходится устанавливать механические нагнетатели (такую схему иногда не совсем верно еще называют “двигатель Миллера”), что еще больше усложняет и удорожает конструкцию. К тому же потери на привод компрессора практически сводят на нет преимущества необычного мотора.

Поэтому серийные массовые автомобили с двигателями Аткинсона можно пересчитать по пальцам одной руки. Характерный пример – “Mazda Xedos 9/Millenia”, которая выпускалась с 1993-го по 2002 год и оснащалась 210-сильным 2,3-литровым V6.

Зато в чистом виде моторы Аткинсона оказались очень подходящими для гибридных моделей вроде знаменитого “Toyota Prius” или новейшего “Mercedes-Benz” S-класса, который вскоре пойдет в серийное производство. Ведь на малых скоростях такие машины передвигаются в основном на электротяге, а бензиновый двигатель подключается только при разгоне или при больших нагрузках. Эта схема, с одной стороны, позволяет нивелировать врожденные недостатки мотора Аткинсона, а c другой – максимально использовать его положительные качества.

Бесшумные золотники

Благодаря высокой экономичности моторы, работающие по циклу Аткинсона, сегодня все чаще используются на гибридных автомобилях вроде “Toyota Prius”.

МЕХАНИЗМ газораспределения – один из самых сложных и шумных в традиционном двигателе. Поэтому многие изобретатели пытались полностью избавиться от него или хотя бы существенно модернизировать.

Пожалуй, самой успешной альтернативной конструкцией стал мотор, созданный американским инженером Чарльзом Найтом в начале ХХ века. Привычных клапанов и их громоздкого привода в этом двигателе не было – их заменили специальные золотники в виде двух гильз, размещенных между цилиндром и поршнем. С помощью оригинального привода золотники перемещались вверх-вниз и в необходимый момент открывали окна в стенке цилиндра, через которые внутрь поступала свежая горючая смесь и удалялись в атмосферу выхлопные газы.

Такой мотор был сложен в изготовлении и достаточно дорог, зато он отличался очень тихой, практически бесшумной по меркам того времени работой. Поэтому многие компании, выпускавшие представительские автомобили, стали устанавливать двигатели Найта на свои модели. Покупатели готовы были переплачивать ради высокого комфорта. В начале прошлого века подобные моторы использовали такие известные фирмы, как “Daimler”, “Mercedes-Benz”, “Panhard-Levassor”..

Однако первоначальный восторг от бесшумной работы двигателей Найта вскоре сменился разочарованием. Конструкция оказалась ненадежной, к тому же отличалась повышенным потреблением бензина и масла из-за высокого трения между золотниками и стенками цилиндра, которое в разы возрастало при увеличении оборотов коленвала. Поэтому позади автомобилей с такими моторами всегда вился характерный сизый дымок.

Эпоха двигателей Найта закончилась в 30-е годы, когда на рынке появились моторы с усовершенствованным клапанным механизмом газораспределения, который почти избавился от чрезмерной шумности. Тем не менее в наши дни то и дело появляются сообщения о различных опытных вариантах бесклапанных двигателей, так что не исключено, что в будущем мы еще увидим такие моторы на серийных машинах.

Переменная степень сжатия

СТЕПЕНЬ сжатия – одна из важнейших характеристик двигателя. Чем больше этот параметр, тем выше максимальная мощность, экономичность и КПД бензинового мотора. Однако бесконечно увеличивать степень сжатия нельзя – в цилиндрах будет происходить детонация, то есть взрывное, неконтролируемое сгорание рабочей смеси, приводящее к повышенному износу деталей и механизмов.

Еще острее эта проблема стоит при создании двигателей с наддувом, которые в последнее время получают все большее распространение. Дело в том, что детали таких моторов работают в более жестких условиях, поэтому они сильнее нагреваются, и риск появления детонации выше. Так что степень сжатия приходится снижать. При этом соответственно падает и эффективность двигателя.

В идеале степень сжатия должна плавно меняться в зависимости от режима работы мотора. Для получения максимальной отдачи ее надо увеличивать, когда нагрузка на двигатель невелика, а затем по мере роста сопротивления движению постепенно уменьшать.

Первые проекты моторов с изменяемой степенью сжатия появились еще во второй половине ХХ века, однако сложность конструкции пока не позволяет широко использовать на массовых моделях. Тем не менее над совершенствованием этой схемы работают многие автопроизводители.

К примеру, SAAB в 2000 году представил опытный рядный 5-цилиндровый мотор SVC (“Saab Variable Compression”), который за счет изменяемой степени сжатия при скромном рабочем объеме 1,6 л выдает приличные 225 л.с. Шведский двигатель по горизонтали разделен на две части, шарнирно соединенные друг с другом с одной стороны. В нижней находятся коленвал, шатуны и поршни, а верхняя объединяет в едином моноблоке цилиндры и их головки. Специальный гидропривод может слегка наклонять моноблок, варьируя степень сжатия от 14 единиц на холостых оборотах до 8 – на высоких, когда в работу включается приводной компрессор. Такая конструкция оказалась эффективной, но очень дорогой, поэтому вскоре после премьеры проект SVC закрыли до лучших времен.

По мнению специалистов, более жизнеспособной выглядит другая схема. Такой двигатель практически неотличим от обычного, за исключением оригинального кривошипно-шатунного механизма. Коленвал здесь связан с поршнем через специальное коромысло. Оно, в свою очередь, закреплено на специальном валу, который может поворачиваться с помощью электро- или гидропривода. При наклоне коромысла меняется положение поршня в цилиндре, а значит, и степень сжатия. Преимущества такой компоновки в относительной простоте – в принципе ее можно создать на основе практически любого мотора.

Таким образом, современные технологии уже позволяют построить двигатель с переменной степенью сжатия. Осталось только решить проблему высокой стоимости таких проектов..

Не тот гибрид

Возможно, в недалеком будущем мы увидим на автомобилях концерна GM двигатели, сочетающие в себе преимущества как дизельных, так и бензиновых моторов.

НА СОВРЕМЕННЫХ автомобилях в основном применяются два типа двигателей – бензиновые и дизельные. Первые отличаются высокой мощностью, вторые – хорошей тяговитостью и экономичностью.

Сейчас многие автопроизводители работают над созданием мотора, который совместил бы в себе оба эти достоинства. В принципе конструкция обычных бензиновых агрегатов уже стала очень похожей на дизель: непосредственный впрыск топлива позволил поднять степень сжатия до 13-14 единиц (против 17-19 у дизельных вариантов).

На экспериментальных моделях степень сжатия еще выше – 15-16 единиц. Однако для постоянного самовоспламенения смеси этого не всегда достаточно. Поэтому при запуске двигателя, а также при высоких нагрузках топливо поджигается обычной свечой. При равномерном движении она отключается, и мотор переходит на “дизельный” режим работы, потребляя минимум топлива. Контролирует всю систему электроника, которая следит за условиями движения и при их изменении дает соответствующие команды исполнительным механизмам. По словам разработчиков, подобные двигатели весьма экономичны и практически не загрязняют окружающую среду. Однако уже сейчас ясно, что стоимость автомобилей с такими моторами будет достаточно высокой. Найдут ли они свое место на рынке, пока сказать сложно.

Автор: Юрий УРЮКОВ
Издание: Клаксон №24 2008 год
Фото: фото фирм-производителей

Принципы Аткинсона остаются неизменными благодаря постоянным изменениям.

Это была одна из тех самых канадских зимних сцен.

Стальные лезвия скребут по льду, перемежаясь визгом смеха. Розовощекые дети собрались в клубках, в воздухе витало нарастающее предвкушение рождественского утра.

За исключением одинокого мальчика, который сидит один на бревне и смотрит, но не присоединяется.

Подошла молодая женщина и спросила, почему его нет на льду.

«У меня нет коньков», — сказал он женщине.

«Хочешь коньки?» она ответила.

«Ой, очень, — сказал он.

Мальчик, Джо, вырастет и станет знаменитым издателем «Звезды» Джозефом Э. Аткинсоном. Но он всегда помнил, каково было сидеть на том бревне.

В то рождественское утро у него дома осталась пара коньков. Это было самое счастливое Рождество в его жизни.

Доброта, проявленная к Аткинсону в тот день, отразилась на протяжении последнего столетия не только в жизни Аткинсона, но и в его наследии.

Более века спустя, рождественским утром 2016 года маленький Олин Херат получил подарочную коробку. Внутри была игрушка, книга, шляпа, рукавицы, зубная щетка, зубная паста и печенье.

Это был подарок мальчику, вдохновленный другим человеком, который знал все тонкости и горечь нуждающегося ребенка.

Херат — один из 45 000 детей из малообеспеченных семей, получивших рождественский подарок через фонд Санта-Клауса Toronto Star, основанный Аткинсоном в 1906 году.

Еще при жизни Аткинсона он возглавил медиа-центр.Под его руководством «Звезда» стала той газетой, которой она является сегодня. «Никто не может избежать своего начала, и я презираю человека, который неверен им», — сказал однажды Аткинсон. Его начинания, принципы Аткинсона и вытекающие из них идеалы социальной справедливости определили более чем столетнюю репортажную работу в Toronto Star.

Эти принципы можно резюмировать следующим образом: сильная, единая и независимая Канада; социальная справедливость; индивидуальные и гражданские свободы; общественность и гражданское участие; права трудящихся; и необходимая роль правительства.

Родившийся к востоку от Ньюкасла, Онтарио, в 1865 году, Аткинсон был самым младшим из восьми детей. Отец Аткинсона, Джон, умер, когда его младшему сыну было 6 месяцев, оставив его жену, Ханну, мать-одиночку, находящуюся в затруднительном положении. Когда ее дети были достаточно взрослыми, чтобы бросить школу, их отправили работать.

Аткинсон работал в почтовом отделении в 16. Маленькому подростку приходилось стоять на ящике, чтобы помогать клиентам у калитки. Именно там он начал подписывать свое имя средней буквой Е. — отчества у него не было, но это звучало важно.

Аткинсон покинул почтовое отделение в поисках лучшей оплаты. В конце концов он устроился на работу по сбору непогашенных счетов в Port Hope Times.

«У меня не было ни малейшего намерения стать газетчиком, когда я согласился на эту работу», — позже вспоминал Аткинсон. «Я хотел быть банкиром. Но шесть долларов в неделю было слишком хорошо, чтобы отказываться от них.

За почти 50 лет работы издателем его твердые взгляды, основанные на вере в прогрессивную политику, сформировали Принципы Аткинсона.

Аткинсон никогда официально не кодифицировал свои принципы, но они остаются основой отчетности Star. Философия, которую Аткинсон придерживался во время своей работы в Star, остается такой же верной и сегодня, как и 21 декабря 1899 года, когда на титульном листе одноцентовой газеты впервые было написано: «Джозеф Э. Аткинсон, редактор и менеджер».

Социальная справедливость

«Дело просто в следующем», — утверждала передовая статья Star в 1946 году. «Желательно или не желательно, чтобы у безработных были какие-то средства к существованию? Разве это не желательно, чтобы люди могли дать своим детям достойный старт в жизни? .. . Короче говоря, имеют ли люди в такой процветающей стране, как Канада, какие-то средства безопасности в жизни? Звезда думает, что это так ».

Аткинсон считал, что у государства есть долг перед стариками, безработными, вдовами и другими людьми, находящимися в неблагоприятном положении. Это включало в себя чувство долга перед больными, и кампания 1979 года проходила в этом духе.

Дыхательное горло маленького Херби Кинонеса-младшего застряло между его сердцем и пищеводом — врожденный дефект, который означал, что малыш Херби был недалеко от смерти.Излияние поддержки после серии «Звездных историй» в феврале 1979 года составило 16000 долларов.

Деньги позволили Херби перенести операцию по спасению жизни в больнице Sick Kids. С тех пор Фонд Херби помог более 777 другим детям.

Сильная, единая и независимая Канада

Аткинсон был националистом насквозь.

«Мы верим в связи с Британией так же сильно, как и все остальные, но на уважительной основе равенства, гражданства, а не на старом основании принадлежности одной страны к другой», — говорится в редакционной статье 1928 года.

Аткинсон считал, что Канада должна подняться над статусом колонии, развернуть свой собственный флаг и решить свои собственные юридические вопросы.

С годами защита от американского влияния стала более приоритетной задачей, равно как и поддержание единства в условиях межпровинциальной напряженности.

В редакционной статье 1990 года, в разгар конституционных дебатов, была нарушена общая линия: «Чего хочет Квебек?»

«В то время как 47 из 839 муниципалитетов Онтарио, в которых проживает всего 300 000 человек, раздраженно заявляют, что они работают только на английском языке, еще 33 более крупных муниципалитета, представляющих 635 000 человек, гордо заявляют о своем двуязычии.. .

«Чего хочет Канада? Несомненно, большинство канадцев хотят терпимости, понимания и диалога; официальное двуязычие в парламенте и неофициальное двуязычие на уроках французского погружения для их детей; чувство общей цели преодолеть западное отчуждение, экономические трудности Атлантической Канады, культурные проблемы Квебека. . . ”

Индивидуальные и гражданские свободы

С момента своего создания Star выступала за свободу слова и право на публичные собрания.Предыдущие статьи касались расового и религиозного фанатизма, власти полиции и депортации, часто вызывая споры.

В новаторской публикации 2010 года «Расовые вопросы» репортер Джим Рэнкин рассказал историю бесчисленного количества чернокожих в Торонто, которых полиция останавливает, допрашивает и документирует чаще, чем белые. Расследование 2010 года показало, что у чернокожих в три раза больше шансов быть остановленными, чем у белых.

Группе отчетности потребовалось семь лет, чтобы получить данные о кардинге с помощью запроса о свободе информации.

«Мы действительно стремились получить данные», — сказал Рэнкин. «И это действительно говорит о принципах Аткинсона и о том, что движет журналистикой в Star».

Истории привели к дальнейшей работе над полицейским кардингом, который вызвал политические действия.

Сообщество и гражданская активность

Аткинсон верил в Торонто и людей, живущих здесь. В редакционной статье 1900 года Аткинсон написал, что Торонто станет большим городом. «Мы должны начать формировать вещи соответственно.

Примерно на рубеже веков жена Аткинсона, Эльмина, предложила Фонд свежего воздуха, позволяющий читателям Star жертвовать деньги на отправку детей на экскурсии и в летние лагеря. Традиция продолжается и по сей день.

Спустя столетие «Звезда» рассмотрела основную часть городской жизни: пищу, которую мы едим.

Разоблачение репортера Роберта Крибба «Грязные обеды» в 2000 году привело к блиц-проверке заведений общественного питания Торонто. Результатом многомесячных усилий стали заголовки: «Проверка здоровья обнаруживает крыс в забегаловке», «Последнее закрытие — 50-е с момента начала блиц-инспекции продуктов питания» и «Грязная забегаловка прошла мартовские испытания: в ресторане, получившем отчет о чистоте, теперь видны паразиты.”

Результатом расследования стала программа DineSafe.

«Общественность гораздо больше осведомлена о том, что есть чистые рестораны и рестораны, которые не такие чистые», — сказал Джон Филион, председатель городского совета здравоохранения, в статье Cribb от 17 июня 2000 года.

«Люди гораздо больше заинтересованы в том, чтобы места, где они едят, были чистыми и полезными для здоровья каждого».

Права трудящихся

Аткинсон однажды сказал: «Человеческий фактор в обрабатывающей промышленности, качество и уровень жизни рабочих и рабочих важнее продукта.”

И трудовые ресурсы остаются в центре внимания журнала Star. Не далее как в сентябре книга Сары Мохтехедзаде и Брендана Кеннеди «Под прикрытием в Temp Nation» раскрыла условия труда в торонтской Fiera Foods.

Temp Nation должна была пролить свет на «рабочую силу, которая практически невидима для многих людей», — сказал Мойтехедзаде.

Необходимая роль правительства

Во время своей работы в Star Аткинсон настаивал на создании детских площадок и санаториев.

В 1914 году он выступал за «некоторую форму страхования от безработицы» в Клубе лося Торонто. В следующем году в канадском клубе Торонто он предупредил, что: «После войны все будет не так, как было раньше. Многие домашние предрассудки останутся незамеченными, и нужно будет уделять больше внимания и сочувствия повседневной жизни людей ».

Иногда эта повседневная жизнь была ужасно ужасной.

В 1996 году репортеры Мойра Уэлш и Кевин Донован расследовали смерть 77 детей в Онтарио.

«Продолжающееся расследование Star 77 случаев смерти детей за последние пять лет выявило серьезные предупреждающие признаки смерти по крайней мере в 23 случаях», — говорится в статье под названием «Они умерли, несмотря на признаки жестокого обращения».

18 сентября 1996 года заместитель главного коронера Джим Кэрнс объявил о создании совместной целевой группы с Ассоциацией обществ помощи детям Онтарио для изучения детской смертности в Онтарио с целью предотвращения дальнейших смертей.

Наследие The Star как «газеты для народа» не закончилось, когда Аткинсон умер в 1948 году в возрасте 82 лет.

В 1957 году президентом «Звезды» стал его сын Джозеф Стори Аткинсон. Он сказал сотрудникам, что газета была частью его жизни, сколько он себя помнил.

«С момента своего создания в 1892 году Star был поборником социальных и экономических реформ, защитником прав меньшинств, противником дискриминации, другом организованных рабочих и стойким защитником канадской государственности», — сказал Аткинсон.

«Мы продолжим поддерживать эти принципы изо всех сил, — пообещал Аткинсон.

Это было обещание, которым его отец мог бы гордиться.

С файлами из архива Звезд и книгой Дж. Э. Аткинсона Звезды Росс Харкнесс.

Новости пресс-конференции Phoenix: Proof of Water Ice

Phoenix провела сегодня пресс-конференцию, чтобы официально объявить о своем большом заявлении, что было довольно очевидно из фотографий на веб-сайте Phoenix вчера поздно вечером: они нашли то, что искали.«С большой гордостью и большой радостью объявляю сегодня, что мы нашли доказательство того, что мы так долго искали, чтобы показать, что этот твердый белый материал представляет собой водяной лед», — сказал главный исследователь проекта Питер Смит. На изображении показана траншея, вырытая ковшом-манипулятором Феникса, открывшая белую область и оставившую пару небольших кусков белого материала, которые, по мнению ученых, могли быть льдом. Через несколько дней льда нет. «В течение нескольких дней пребывания в холодной и очень сухой марсианской среде он сублимировался», — сказал Марк Леммон, соисследователь аппарата Phoenix Surface Stero Imager.«Лед превратился в пар, но таяния не произошло». Но как ученые точно знают, что это водяной лед?

«Мы можем легко и уверенно исключить, что это лед из углекислого газа», — сказал Леммон. «Конечно, бывают времена года, когда в этом месте может быть лед с CO2, но с учетом температуры, которую мы измеряем там, он будет эквивалентом водяного льда, существующего на Земле при температуре 140 градусов. Он не будет там очень долго, и не будет там достаточно долго, чтобы мы могли его сфотографировать, и он не продержится всю ночь.Мы уверены, что это не лед с CO2. Мы исключаем соль, потому что соль так не реагирует. Теперь мы уверены, что это водяной лед. Мы достигли того, что искали. Теперь задача состоит в том, чтобы выяснить, что смешано со льдом, сколько в нем соли, сколько в нем органических веществ, и для решения этих вопросов нам понадобятся TEGA и MECA ».

TEGA — это термический анализатор и анализатор выделенных газов, который «запекает и вынюхивает» химический состав почвы, а MECA — это анализатор микроскопии, электрохимии и проводимости, лаборатория влажной химии, которая измеряет уровни кислотности, минералов и проводимости в образцах грязи. .

Смит сказал, что место посадки было тщательно выбрано как место, где с большой вероятностью может существовать лед, судя по подповерхностному водороду, обнаруженному орбитальным космическим кораблем Mars Odyssey 2001 года.

Теперь команда будет искать две вещи, связанные со льдом. «Тает ли лед, и допускает ли растаявшая ледяная среда обитаемую зону на Марсе», — сказал Смит. «Это место, где органические материалы и источники энергии в сочетании с жидкой водой могут стать средой обитания марсианской жизни. У нас нет инструментов, которые обнаруживают саму жизнь.Мы ищем на этом этапе возможность обитания, и это будут будущие миссии, которые будут искать жизнь ».

Уловка теперь состоит в том, чтобы поместить часть этого белого материала в приборные печи TEGA, прежде чем он сублимируется. «План отбора проб льда состоит в том, чтобы собрать его довольно быстро с помощью электроинструмента под названием Rasp и доставить его в TEGA в течение 30 минут», — сказал Рэй Арвидсон из команды Phoenix. Духовки TEGA имеют герметичное уплотнение, поэтому при нагревании лед может перейти в жидкое состояние.Однако из-за низкого давления на поверхности Марса температура кипения воды на Марсе составляет 4 градуса Цельсия.
Теперь, когда они знают, что лед есть, ученые хотят больше узнать о почве и о том, почему она кажется липкой и комковатой. «Зная, что это лед, это позволяет предположить, что есть определенные соли, которые, смешанные со льдом, могут таять при низких температурах», — сказал Смит. Очень заманчиво отправить образец этого материала в MECA, как только мы сможем. Прямо сейчас у нас есть некоторые предположения, но пока нет реальных интерпретаций.Я искренне верю, что мы получим ответы для вас к концу лета и, надеюсь, раньше, так что оставайтесь с нами ».

Роботизированная рука теперь копает новый участок траншеи под названием «Белоснежка». Они вырыли двойной ров и наткнулись на твердый слой льда. Команда попробует другие методы, чтобы увидеть, насколько твердый и глубокий лед, и попытается копнуть глубже. Однако им потребуется время, чтобы убедиться, что последовательности, которые они используют для скребка и траспера, работают правильно (чтобы не повторять задержек, подобных тем, которые произошли в первый раз, когда они попытались загрузить почву в TEGA.)

Барри Голдман также сказал, что проблема с памятью Phoenix понятна, и созданы два программных исправления, чтобы решить проблему, из-за которой израсходовано все пространство на версии Phoenix флэш-накопителя.

Источник: Phoenix Press Conference

Как это:

Нравится Загрузка …

Нелинейная жесткость грунта в штатном проектировании

ВВЕДЕНИЕ

Раздел:

Осенью 1969 года, когда я начал исследования жесткости почвы в Имперском колледже, у меня было три учебника.Это были: Механика грунта в инженерной практике (Terzaghi & Peck, 1948), Измерение свойств грунта в трехосном испытании (Bishop & Henkel, 1957) и Критическое состояние механики грунта (Schofield & Wroth, 1968). . Молодому студенту-исследователю было трудно понять, что все эти три книги были посвящены почвам в наземной инженерии. Две важные темы моей работы заключались в том, чтобы попытаться прояснить основные вопросы, затронутые в этих трех книгах, и исследовать прочность и жесткость почвы.

В настоящее время хорошо известно, что поведение грунта при напряжении и деформации очень нелинейно, и жесткость грунта может уменьшаться с деформацией на порядки. Это означает, что для геотехнической конструкции, такой как фундамент, подпорная стена или туннель, жесткость грунта зависит как от положения, так и от нагрузки.

Многие аспекты нелинейной жесткости грунта теперь хорошо изучены. Они были включены в численные модели и успешно использовались в геотехническом проектировании. Многие из этих нелинейных моделей и численного анализа относительно сложны и требуют специального тестирования и длительных расчетов.Однако есть много практических случаев, для которых эти сложные модели и анализы не оправданы, и достаточно знакомых методов, основанных на факторах нагрузки или простых анализах упругости. Их можно улучшить, если сделать поправку на нелинейность почвы.

Основные цели 40-й лекции Ренкина и данной статьи — рассмотреть, как нелинейность почвы можно количественно оценить по результатам относительно простых испытаний, и изучить влияние нелинейности почвы на простые рутинные методы проектирования.При характеристике нелинейности необходимо учитывать как жесткость, прочность и деформацию при разрушении, так и отношения между ними. Измерение жесткости грунта во всем диапазоне нагрузки от очень небольшой деформации до разрушения требует использования местных тензодатчиков, но жесткость при очень малой деформации можно относительно легко определить из измерений скорости поперечной волны в лабораторных испытаниях или in situ . Почва имеет много сильных сторон, в основном зависящих от дренажа и деформации, а максимальная прочность подходит для характеристики нелинейности.Пиковые значения прочности связаны с плоскостями скольжения или полосами сдвига, и необходимо учитывать их влияние на прочность, измеренную в лабораторных испытаниях.

Нелинейное поведение грунта

Одной из основных проблем наземного строительства в 1970-х годах и ранее была очевидная разница между жесткостью грунта, измеренной в лабораторных испытаниях, и жесткостью грунта, рассчитанной на основе наблюдений за движениями грунта (например, Cole & Burland, 1972; St John, 1975; Wroth, 1975; Burland, 1979).Эти различия в настоящее время в значительной степени устранены благодаря пониманию основных характеристик жесткости грунта и, в частности, очень важного влияния нелинейности. Это одно из главных достижений инженерно-геологических изысканий за последние 30 лет.

Рисунок 1 иллюстрирует типичную кривую жесткость-деформация для грунта. При малых деформациях жесткость относительно велика; при деформациях, близких к разрушению, жесткость мала: это нелинейность грунта. Инжир.1 включает типичные диапазоны деформации для лабораторных испытаний и конструкций. Диапазоны деформации для различных методов тестирования на рис. 1 аналогичны диапазонам, приведенным Аткинсоном и Саллфорсом (1991). Они будут рассмотрены позже более подробно. Типичные диапазоны деформации для конструкций приведены в Mair (1993). Типичная характерная деформация грунта составляет 0,1%; это соответствует перемещению на 10 мм при длине колеи 10 м. Обычно деформации в грунте будут варьироваться от нуля вдали от конструкции до относительно больших значений около конструкции, а на краю жесткого фундамента они будут очень большими.Типичные диапазоны деформации, предложенные Mair (1993), были основаны на жесткости, которая дала разумные конструкции для конструкций в London Clay.

Рис. 1. Характерное жестко-деформационное поведение грунта с типичными диапазонами деформации для лабораторных испытаний и конструкций (по Atkinson & Sallfors, 1991 и Mair 1993)

Плановое проектирование

В геотехнической инженерии есть некоторые работы, требующие детального анализа либо потому, что существуют особые требования к конструкции, либо потому, что необходимо добиться значительной экономии.Примером может служить конструкция большой подпорной стены в городской среде. В этом случае, вероятно, потребуется рассчитать распределение горизонтальных и вертикальных перемещений грунта перед стеной и за ней, напряжения в стене и нагрузки на анкеры или опоры как во время строительства, так и в процессе эксплуатации.

Детальный анализ и проектирование крупной геотехнической конструкции потребуют специальных лабораторных испытаний, включающих применение сложных траекторий напряжений и измерение малых деформаций вместе с численным анализом с использованием моделей грунта, которые учитывают важные особенности поведения грунта, включая текущее состояние , недавняя история, неупругие деформации, анизотропия, общие напряженные состояния, вращение осей напряжений и деформаций и т. д. (Hight & Higgins, 1995).Все это очень сложно и требует специального оборудования и опыта для получения надежных решений.

Однако существует очень много случаев, когда такой подробный анализ не так важен и когда требуются относительно простые решения. Эти рутинные анализы рассчитывают только одно движение в одном направлении; примерами могут быть оседание фундамента, горизонтальное перемещение наверху простой подпорной стены, оседание поверхности над центральной линией туннеля и так далее.

Рисунок 2 иллюстрирует оседание нагруженного неглубокого фундамента и два основных метода стандартного проектирования. Общие принципы применимы также к проектированию и анализу простых подпорных стен и туннелей. Для проиллюстрированного неглубокого фундамента основным требованием является определение расчетного опорного давления σ _d, которое вызовет расчетную осадку ρ _d

Рис. 2. Методы стандартного проектирования простых фундаментов

(1)

/ L

(2)

_ρ

Коэффициент нагрузки L _f и коэффициент жесткости E _s/ E _o являются расчетными параметрами.Они будут зависеть, среди прочего, от почвы, ее состояния и поведения при напряжении и деформации, конструкции и расчетных перемещений. Поскольку эти простые стандартные методы проектирования направлены на определение только одного движения, всегда должна быть возможность выбрать коэффициенты нагрузки или коэффициенты жесткости, которые дают правильные решения. Если почва нелинейная, то они будут меняться в зависимости от нагрузки, движения или деформации.

Следует подчеркнуть, что эти простые методы, конечно, ограничены. Они могут работать только для расчета одного движения в одном направлении для относительно простых конструкций и почв с хорошими характеристиками.Если требуется дополнительная информация, такая как вертикальные и горизонтальные перемещения или профиль осадки или распределение напряжений в грунте, то потребуется гораздо более сложный анализ.

Простые методы, описанные здесь, применимы к дренированным или недренированным нагрузкам, используя данные испытаний с дренированными или недренированными, но не к циклическим или повторяющимся нагрузкам. Они применимы к почвам с характерным поведением, описанным ниже. К ним относятся относительно жесткие мелкозернистые и крупнозернистые почвы, которые не имеют прочной связи; они исключают очень мягкие почвы, почвы с сильными связями, а также мягкие породы и почвы с неустойчивой структурой.

ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЛИНЕЙНОСТИ

Раздел:

На рисунке 3 показаны основные параметры прочности и жесткости для трехосного испытания. На рис. 3 (а) цилиндрический образец имеет осевые и радиальные напряжения σ _a и σ _r и деформации ε _a и ε _r, а девиаторное напряжение составляет q (= σ _a — σ _r). При нагружении появляется нелинейная кривая напряжения-деформации, как показано на рис. 3 (б). Образец разрушается при максимальном девиаторном напряжении q _f при деформации ε _f.Жесткость — это модуль Юнга E , который может быть определен как касательная E _t или как секущая E _s. Жесткость при очень малых деформациях в начале нагружения составляет E _o.

Рис. 3. Простые параметры жесткости для нелинейного грунта

Касательные и секущие модули Юнга изменяются в зависимости от деформации, как показано на Рис. 3 (c). Аткинсон и Саллфорс (1991) определили три региона. В области очень небольшой деформации жесткость приблизительно постоянна и составляет E _t = E _s = E _o, и эта область ограничена деформацией ε _o.Существует небольшая область деформации от _до до деформации около 0,1%, в пределах которой жесткость быстро спадает. Существует большая область деформации, превышающая 0,1%, в которой жесткость относительно мала. Деформация ε = 0,1% совпадает с характеристическими деформациями в грунте вблизи конструкций и с наименьшей деформацией, которую можно надежно измерить при обычных испытаниях грунта. Секущий модуль E _s продолжает постепенно уменьшаться, но остается положительным даже после максимального напряжения девиатора, в то время как касательный модуль E _t равен нулю при разрушении, а затем становится отрицательным по мере размягчения почвы.Если оси напряжения-деформации равны q и ε _s (= 2/3 (ε _a — ε _r)), жесткость d q / d ε _s = 3 G , где G — модуль сдвига.

Рисунок 4 (а) иллюстрирует поведение напряжения-деформации простого материала, который имеет линейную реакцию напряжение-деформацию и который разрушается при девиаторном напряжении q _f с соответствующей кривой жесткости-деформации. Жесткость определяется как отношение жесткости к прочности, E / q _f, и это равно 1 / ε _f.Отношение жесткости к прочности — важный параметр. Он появляется в растворах для расширения полости (Vesic, 1972). Для линейных материалов он определяет деформацию разрушения и характеризует хрупкость или пластичность. Везик (1972) определил отношение модуля сдвига к недренированной прочности Г / с _u как показатель жесткости.

Рис. 4. Деформационное поведение простых материалов: а — линейный материал; (b) нелинейный материал

Площадь под кривой «жесткость-деформация» составляет E ε _f, и она равна прочности q _f.Симпсон (1992) показал, что это общий результат и справедлив для нелинейных материалов, а также для осушаемых и недренированных нагрузок.

Рисунок 4 (б) иллюстрирует поведение напряжения-деформации простых нелинейных материалов. Жесткость теперь определяется как E _o/ q _f = l / ε _r, где ε _r — эталонная деформация: важно отметить, что эталонная деформация ε _r равна просто определяется жесткостью, а не деформацией в какой-либо характерной точке во время нагружения.Нелинейные материалы разрушаются при деформациях ε _f, которые превышают ε _r, и отношение ε _f / ε _r = n ₁ является мерой степени нелинейности. Для частного случая, в котором жесткость уменьшается линейно с деформацией n ₁ = 2, потому что площадь под кривой жесткость-деформация должна равняться прочности, как показано на рис. 4 (b).

Жесткость и степень нелинейности вместе служат для характеристики нелинейного поведения напряжения-деформации.Параметры, очень малая деформационная жесткость E _o. прочность q _f. и деформация разрушения ε _f легко измерить.

В Таблице 1 приведены значения жесткости и прочности некоторых распространенных материалов для того, чтобы представить свойства типичных грунтов в контексте. Значения являются приблизительными, для хрупких материалов они указаны для сжатия. Значения, приведенные для мягких и жестких грунтов, были получены на основе результатов испытаний и простых корреляций, как описано ниже.В таблице 1 приведены некоторые интересные значения. Жесткость грунта выше, чем у других распространенных материалов, в основном потому, что грунт относительно очень слаб. Жесткость жесткого грунта меньше, чем у мягкого. Это удивительный результат, о котором мы поговорим позже. Степень нелинейности почвы сильно варьируется и охватывает почти весь диапазон всех других материалов. Именно это изменение степени нелинейности характеризует жесткость грунта и требует геотехнического проектирования.

Таблица 1. Свойства некоторых распространенных материалов

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ЖЕСТКОСТИ ПРИ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЯХ

Раздел:

Значения параметров прочности, жесткости и проницаемости, измеренные в лабораторных испытаниях, зависят от многих факторов, включая: качество образца, процедуры, используемые для настройки образец в аппарате перед испытанием, детали пути нагружения и скорости испытаний, детали конструкции и характеристик аппаратуры и инструментов, процедуры анализа и интерпретации необработанных данных испытаний.Многие из этих факторов были рассмотрены Hight (1998).

Балди и др. . (1988) обнаружили, что основными источниками ошибок при измерении деформации и жесткости в трехосных испытаниях, особенно при малых деформациях, были ошибки при установке и посадке, а также несовпадение нагружающего плунжера или датчика нагрузки с верхней плитой. Этих ошибок можно избежать за счет использования местных датчиков, прикрепленных к образцу. Однако все еще существует нижний предел деформации, который можно надежно измерить с помощью местных датчиков, но жесткость при очень малой деформации можно измерить с помощью динамических методов.

На рисунке 5 показана характерная кривая жесткости – деформации для грунта с тремя областями, определенными Аткинсоном и Саллфорсом (1991), и показано различное лабораторное оборудование и процедуры испытаний, которые лучше всего подходят для измерения жесткости в каждой области.

Рис. 5. Измерение жесткости грунта в лабораторных испытаниях

При деформациях, превышающих примерно 0,1%, секущую жесткость можно измерить с разумной точностью в трехосных испытаниях с использованием датчиков перемещения, установленных обычным образом вне ячейки.Точность измерения может быть улучшена за счет уменьшения ошибок подстилки, посадки и несоосности (Atkinson & Evans, 1985).

Надежное измерение жесткости грунта во всей небольшой области деформации от деформаций от примерно 0,001% до примерно 0,1% действительно может быть выполнено только с использованием местных датчиков, прикрепленных непосредственно к образцу (Jardine et al ., 1984 ). Если измерения деформации производятся вне ячейки, поправки для учета ошибок часто больше, чем измеряемые деформации.Местные манометры должны удовлетворительно работать в воде или масле под давлением и должны оставаться стабильными и точными в течение длительного времени. (Испытания на мелкозернистых грунтах для измерения жесткости с учетом недавней истории и других эффектов часто длятся несколько недель.) В последнее время существует ряд современных обзоров по измерению жесткости грунта с использованием местных датчиков (например, Scholey и др. ., 1995).

На рис. 6 показан оригинальный аппарат для определения пути гидравлического напряжения Имперского колледжа (Аткинсон, 1973).Внутри ячейки есть манометры. Они не являются строго местными датчиками, потому что они прикреплены к плитам, а не непосредственно к образцу. Этот аппарат представляет собой первые дни исследований жесткости грунта в диапазоне малых деформаций.

На рисунке 7 показаны коммерчески доступные миниатюрные преобразователи смещения, измеряющие осевые и радиальные деформации в образце в трехосной ячейке с траекторией гидравлических напряжений (Cuccovillo & Coop, 1997). Эти инструменты относительно просты и надежны, и они обладают очень высоким разрешением.Они могут разрешить жесткость при деформациях около 10 ^-6 (т.е. 0 · 0001%), которые для многих грунтов простираются в область очень малых деформаций. Это соответствует разрешающей способности 0,1 микрона на измерительной длине 100 мм. Вряд ли есть необходимость в более точных измерениях, и проблемы в основном заключаются в установке датчиков на образце и в интерпретации данных.

Рис. 7. LVDT, используемые в качестве локальных датчиков

На рисунке 8 показан пример современной ячейки пути гидравлического напряжения, способной применять полный диапазон трехосных траекторий напряжений с осевыми и радиальными деформациями, измеренными с помощью миниатюрных датчиков смещения.Испытания такого оборудования потребуются для измерения всего поведения жесткости-деформации во всем диапазоне деформации, необходимого для полного численного анализа движений грунта с использованием сложных конститутивных моделей. Тем не менее, по-прежнему сложно использовать местные манометры на регулярной основе, и есть несколько инженеров, обладающих знаниями, необходимыми для определения и надзора за испытаниями, а также способных интерпретировать результаты. Измерение жесткости грунта во всем диапазоне деформаций с помощью местных датчиков вряд ли станет обычным делом, по крайней мере, в ближайшее время.

Рис. 8. Аппарат для определения траектории напряжений, управляемый компьютером, с локальными датчиками

ИЗМЕРЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ ПРИ ОЧЕНЬ МАЛЕНЬКОЙ ДЕФИКАЦИИ С ПОМОЩЬЮ ДИНАМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Раздел:

В то время как трудно измерить жесткость почвы в небольшом диапазоне деформации с помощью местных датчиков, гораздо проще измерить жесткость почвы в очень маленьком диапазоне деформации с помощью динамических методов. Ранние исследования динамики грунта (например, Hardin & Drnevich, 1972) были связаны с вибрациями грунта, и было обнаружено, что жесткость, измеренная с помощью динамических методов, значительно больше, чем значения, измеренные с помощью обычных трехосных испытаний с датчиками внешнего смещения.Georgiannou и др. . (1991) показали, что жесткость, измеренная при малых деформациях в трехосных испытаниях с использованием местных датчиков, была того же порядка, что и жесткость, измеренная в динамических испытаниях. Теперь согласование динамической и статической жесткости осуществляется путем понимания нелинейности грунта, и ясно, что именно величина деформации, а не скорость деформации, больше всего влияет на жесткость почвы.

Основные принципы и методы определения жесткости грунта при очень малых деформациях на основе прямых измерений скорости поперечной волны в лаборатории и испытаний на месте показаны на рис.9. В лабораторных испытаниях поперечные волны генерируются и обнаруживаются изгибающимися элементами (Shirley & Hampton, 1978). In situ поперечные волны, генерируемые на поверхности или под землей, обнаруживаются приборами в скважинах или проталкиваются в зонды.

Рис. 9. Измерение G _o по скорости поперечной волны: (а) лабораторные испытания; (b) in situ тесты

(3)

(4)

(5)

Существуют также косвенные методы измерения модуля сдвига в динамических испытаниях, таких как лабораторные испытания на резонансной колонне (Richart et al ., 1970) и на месте, измерение скоростей поверхностных волн Рэлея (Abbiss & Ashby, 1983). Прямое измерение скорости поперечной волны с использованием лабораторных испытаний гибочного элемента или in situ в скважине и испытаниях в межскважинном пространстве относительно просто выполнить и интерпретировать.

Измерение скорости поперечной волны при лабораторных испытаниях с использованием изгибающих элементов

Изгибающий элемент представляет собой кусок пьезокерамической пластины, которая изгибается при изменении напряжения на ней или, если изгибается под действием внешней силы, изменяется напряжение на ней.Изгибающие элементы обычно устанавливаются в верхнюю и нижнюю плиты трехосной или эдометрической ячейки и проникают в образец примерно на 3 мм. Один элемент вибрирует, изменяя напряжение на нем, поперечные волны распространяются через образец и вызывают вибрацию другого элемента. Входное и выходное напряжения непрерывно записываются и определяется время пробега.

На рис. 10 показаны изгибающие элементы, установленные в плиты трехосного устройства, а на рис. 11 показана гидравлическая трехосная ячейка, снабженная изгибающими элементами.Входные и выходные напряжения могут быть записаны на осциллографе или на ПК с картой осциллографа. Это оборудование регулярно используется в Городском университете для определения скорости поперечной волны и G _o в почвах и мягких породах (Viggiani, 1992; Jovičić, 1997).

Рис. 10. Гибочные элементы в плитах трехосной ячейки

Рис. 11. Оборудование для испытаний гибочных элементов

Гибочные элементы (Shirley & Hampton, 1978; Dyvik & Madshus, 1985) были первоначально разработаны для измерения поперечной волны. скорости в мягких грунтах.Оборудование было модифицировано и разработано для испытания твердых грунтов и мягких пород Видгиани (1992) и Йовичичем (1997). Элементы изгиба были установлены в отдельные крепления, прикрепленные к сторонам образца, так что поперечные волны распространяются по диаметру (Pennington et al ., 1997). Это оборудование очень портативно и использовалось для измерения скорости поперечных волн в неограниченных пробах сразу после подъема с земли.

Эффективное расстояние, проходимое поперечной волной через образец, — это расстояние от наконечника до наконечника между элементами гибки (Viggiani, 1992).Качество измерения времени пробега зависит от формы, частоты и амплитуды поперечной волны. В ранних тестах возбуждение обычно представляло собой одиночный прямоугольный импульс, который создавал нежелательные эффекты ближнего поля. В настоящее время возбуждение обычно представляет собой синусоидальную волну, и время пробега можно надежно измерить (Jovičić et al ., 1996).

В принципе, тесты достаточно просты для выполнения, а результаты достаточно надежны для рутинных анализов. По шкале стоимости и сложности простые испытания изгибающего элемента для определения скорости поперечной волны в образце должны находиться между обычными неконсолидированными недренированными (полное напряжение) трехосными испытаниями и сводными дренированными или недренированными (эффективное напряжение) испытаниями: они значительно дешевле и проще выполнить испытания пути напряжения с использованием местных датчиков.

Прямое измерение скорости поперечной волны на месте

Измерение скорости волн, распространяющихся через землю, является хорошо зарекомендовавшим себя методом в геофизике и используется в наземных исследованиях в основном для профилирования. В обычных приложениях источник генерирует как поперечные волны (S-волны), так и волны сжатия (P-волны), и именно более быстрые бегущие P-волны приходят первыми и маскируют приход S-волн. Чтобы измерить жесткость, необходим источник, который генерирует S-волны, которые по существу свободны от P-волн и других быстрых бегущих волн (Jovičić et al ., 1996).

Для измерения на месте скорости поперечной волны поперечные волны обычно распространяются вертикально вниз от поверхности (внутрискважинные испытания) или горизонтально от одной скважины к другой скважине (межскважинные испытания), как показано на Рис. . 9 (б). В качестве альтернативы, сейсмический конус (Campanella и др. ., 1986) может использоваться вместо геофонов в буровых скважинах. Время прохождения обычно регистрируется между двумя приемниками, а не с источником. Важно определить расположение приемников, чтобы получить точные измерения длины пути волны.

АНИЗОТРОПИЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ СДВИГОВОЙ ВОЛНЫ

Раздел:

Многие свойства почвы являются анизотропными, и скорость поперечной волны зависит как от направления распространения, так и от направления вибрации. В горизонтальном направлении распространяющиеся поперечные волны могут колебаться в горизонтальной или вертикальной плоскости, как показано на рис. 9 (b), и они обнаруживают анизотропию. V _vh — скорость поперечной волны, распространяющейся вертикально с горизонтальной вибрацией, V _hv — скорость волны, распространяющейся горизонтально с вертикальной вибрацией, и V _hh — скорость распространяющейся волны горизонтально с горизонтальной вибрацией.

При лабораторных испытаниях, при которых элементы гибки устанавливаются на концевых плитах, различные скорости могут быть измерены на образцах, которые установлены с разной ориентацией (Simpson и др. ., 1996). В качестве альтернативы, используя оборудование, разработанное Пеннингтоном (1999), гибочные элементы, установленные поперек диаметра, измеряют скорости поперечных волн, которые распространяются горизонтально с колебаниями, которые могут быть как горизонтальными, так и вертикальными.

(6)

(7)

_ohh

_ovh

_ohv

_vh

_hv

_vh

_hv

in situ

et al

Введение упругой анизотропии, даже самой простой, усложняет анализ, который связывает анизотропные модули упругого сдвига с другими упругими параметрами. Для поперечно-анизотропного упругого материала существует пять независимых параметров упругости. Хотя как G _ovh, так и G _ohh могут быть получены из измерений скоростей поперечных волн на месте или в лабораторных испытаниях, определение всех пяти эффективных упругих параметров напряжения для кросс-анизотропного материала требует дополнительных измерения (Lings et al ., 2000).

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

_hh

_ovh

_ohh

, N

Если предполагается, что грунт изотропный, значения модуля Юнга для простых стандартных конструкций должны быть рассчитаны на основе значений G _o, полученных из измерений скорости поперечной волны с использованием уравнений (4) или (5) с разумными значения коэффициента Пуассона.В этом случае следует определять модули, которые, насколько это возможно, соответствуют направлениям значительных нагрузок или деформаций в проектируемой конструкции. Если предполагается, что грунт является кросс-анизотропным, упругие параметры недренированного полного напряжения могут быть определены из уравнений (13) и (14) с использованием значений G _ohh, рассчитанных на основе измерений V _hh с использованием уравнение (7) и значения N из обычных недренированных трехосных испытаний.Для дренированной нагрузки определение эффективных кросс-анизотропных упругих параметров напряжения требует дополнительных измерений (Lings и др. ., 2000).

ЗНАЧЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ ПОЧВЫ ПРИ ОЧЕНЬ МАЛЕНЬКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Раздел:

in situ

Рис. 12. G _o измерено in situ и в лабораторных испытаниях (по Butcher, 2000)

Состояние почвы

Чтобы понять жесткость почвы (и всю механику почвы), необходимо учитывать текущее состояние почвы.Для изотропных напряжений состояние описывается текущим эффективным напряжением и удельным объемом по отношению к опорной линии; для анизотропных напряженных состояний следует учитывать коэффициент напряжений. Рис. 13 иллюстрирует состояния грунта с осями удельного объема (или содержания воды) и эффективного напряжения. Контрольная линия может быть проекцией линии критического состояния или одной из нормальных линий сжатия (Chandler, 2000). В состоянии A поведение будет отличаться от поведения в B при том же эффективном напряжении и отличаться от поведения в C при том же содержании воды.Однако после нормализации путем деления на текущее напряжение состояния в точках B и C эквивалентны. Следовательно, состояния вдоль любой линии, параллельной опорной линии, будут эквивалентными, и поэтому состояние измеряется расстоянием от опорной линии.

Рис. 13. Параметры для текущего состояния

Состояние может быть описано параметром напряженного состояния S _σ или параметром состояния объема S _v. Если опорная линия является линией критического состояния, а S _v эквивалентно Γ — ν _λ (Schofield & Wroth, 1968) и параметру состояния, определенному & Been & Jefferies (1986).

Если контрольная линия является нормальной линией сжатия, состояния ниже и слева являются чрезмерно консолидированными. Мелкозернистый грунт может достичь переуплотненного состояния только в результате первичного сжатия по линии нормального сжатия с последующей разгрузкой и набуханием. Состояние крупнозернистого грунта может перемещаться непосредственно от B к A за счет вибрации или уплотнения при постоянном эффективном напряжении, поэтому уплотнение оказывает такое же влияние на состояние, как загрузка и разгрузка.

Изменение очень небольшой деформационной жесткости в зависимости от состояния для грунтов

(15)

_м

(16)

На рис. 14 показаны результаты, полученные в результате серии испытаний изгибающего элемента на образцах восстановленной каолиновой глины, проведенных Видгиани (1992). На рис. 14 (a) показаны результаты испытаний на нормально консолидированных образцах, для которых R _o = 1. Данные близки к линии, заданной уравнением (16), с n = 0 · 65 и A. = 2000 с p _a = 1 кПа. На рис. 14 (b) показаны результаты испытаний переуплотненных образцов с G _o, нормализованными на G _onc, что является значением G _o для нормально консолидированного образца при том же эффективном напряжении.Данные близки к линии, заданной уравнением (16) с м = 0,2.

Рис. 14. Вариация G _o в зависимости от состояния восстановленной каолиновой глины: (а) нормально консолидированные образцы; (b) сверхуплотненные образцы (Viggiani & Atkinson, 1995)

На рисунке 15 показаны результаты, полученные в результате серии испытаний изгибающих элементов на образцах карбонатного песка, проведенных Йовичичем (1997). Поведение карбонатного песка аналогично поведению каолиновой глины, показанной на рис.14, за исключением того, что значения параметра m отличаются для образцов, которые достигли состояний внутри нормальной линии сжатия при загрузке и разгрузке (истинное избыточное уплотнение) или путем уплотнения перед загрузкой.

Карбонатный песок имел относительно слабые зерна и достигал состояний на четко определенной линейной нормальной линии сжатия при напряжениях, превышающих примерно 100 кПа, выше которых наблюдались значительные изменения гранулометрического состава. Следовательно, градация действительно переуплотненных образцов отличалась от градации уплотненных образцов, что объясняет разные значения параметра m .

Параметры материала для очень малой жесткости при деформации

Параметры A , n и m в уравнении (16) являются параметрами материала и поэтому должны зависеть от природы зерен. Виггиани (1992) провела испытания изгибных элементов на восстановленных образцах из множества различных грунтов, и ее результаты представлены на рис. 16. На нем показаны вариации параметров A , n и m с пластичностью для мелкого зернистые почвы.Несмотря на некоторый разброс данных, есть четкие тенденции, показывающие, что A уменьшается, а n и m увеличиваются с увеличением индекса пластичности.

Coop и Jovičić (1999) сообщили о результатах испытаний изгибных элементов на различных крупнозернистых почвах. Они обнаружили, что отношения между очень малой жесткостью при деформации G _o и состоянием, заданным уравнением (16), одинаково применимы к крупнозернистым и мелкозернистым грунтам.Они также обнаружили, что значения параметров материала для крупнозернистых грунтов могут быть близко аппроксимированы значениями A = 4000 и n = 0,58, в то время как значение m зависит от истории переуплотнения или уплотнения.

Следует отметить, что для определения значений коэффициента переуплотнения R _o необходимо установить истинно нормальную линию сжатия. Для большинства крупнозернистых грунтов это потребует сжатия до очень большого эффективного напряжения (Coop & Lee, 1993).

ЖЕСТКОСТЬ ПОЧВЫ ПРИ ОЧЕНЬ МАЛЕНЬКОЙ ДЕФИНАЦИИ: ОБЗОР

Раздел:

in situ

ВЫБОР ПРОЧНОСТИ ПОЧВЫ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Раздел:

Параметрами, которые вместе с очень малой деформационной жесткостью E _o характеризуют нелинейность, являются прочность q _f и деформация при разрыве ε _f. Они используются для описания жесткости, E _o/ q _f и степени нелинейности n ₁ = ε _f / ε _r, где ε _r — эталонная деформация, обратная жесткости.Рассмотрев измерение E _o, теперь необходимо рассмотреть измерение соответствующей прочности. Хорошо известно, что конкретная почва будет иметь ряд различных свойств в зависимости от дренажа и нагрузки. Важно учитывать, какая прочность подходит для определения жесткости и степени нелинейности стандартных конструкций, предназначенных для ограничения перемещений или оседания.

Рисунок 17 иллюстрирует общие особенности поведения деформации относительно жесткого грунта.Существует пиковая прочность, предел прочности или критического состояния и остаточная прочность. Их можно описать недренированной прочностью s _u или углами сопротивления сдвигу ϕ ‘.

Рис. 17. Прочность грунта

Для комплексного численного анализа составляющие модели грунта должны включать полное поведение напряженно-деформированного состояния и могут включать сопряженную нагрузку и дренаж. Для простого стандартного расчета необходимо выбрать прочность без дренажа или без дренажа, а также выбрать одну или другую из максимальной, предельной или остаточной прочности.Выбор между дренажной и недренированной прочностью зависит от относительной скорости дренажа и нагрузки, но выбор между пиковой, предельной и остаточной прочностью не так прост.

На рисунке 18 показаны три типичных случая. На рис. 18 (а) забивание сваи или оползень вызвало большие относительные смещения и создание четко определенных полос сдвига или поверхностей скольжения. В мелкозернистом грунте с пластинчатыми частицами это может снизить прочность до остаточной, которая в таком случае является прочностью, которую следует использовать для последующего сдвига полос сдвига (Skempton, 1964).Впервые оползень в глине, показанный на рис. 18 (b), движений изначально недостаточен для снижения прочности до остаточной, и прочность в критическом состоянии должна использоваться для расчета. Обратный анализ неглубоких оползней в выемках на автомагистралях и откосах насыпей (Crabb & Atkinson, 1991) показал, что сила, мобилизованная при разрушении, была очень близка к прочности в предельном или критическом состоянии: это также очень близко к прочности в полностью размягченном состоянии (Skempton, 1970). Для крупнозернистых грунтов критическое состояние и остаточная прочность совпадают.

Рис. 18. Выбор силы для конструкции: (а) очень большие перемещения; (б) отказы с первого раза; (c) небольшие перемещения

На рисунке 18 (c) показан нагруженный фундамент с осадкой ρ. Если давление в опоре выбирается на основе предельной несущей способности с коэффициентом нагрузки, прочность, используемая для расчета несущей способности, должна отражать жесткость грунта. Это не может быть критическим состоянием прочности. (Если фундамент спроектирован на основе прочности в критическом состоянии с тем же коэффициентом нагрузки, то такой же фундамент будет спроектирован как для плотного, так и для рыхлого песка, что явно неудовлетворительно.) Жесткость грунта связана главным образом с максимальной прочностью, а не с пределом прочности или прочности в критическом состоянии; как жесткость, так и пиковая прочность повышаются при эффективном напряжении и чрезмерном уплотнении. Следовательно, именно пиковая прочность и соответствующая деформация вместе с E _o должны использоваться для определения жесткости и степени нелинейности для анализов, которые предназначены для ограничения перемещений.

ПОЛОСЫ СДВИГАТЕЛЯ В ОБРАЗЦАХ ПОЧВЫ

Раздел:

На рисунке 19 показан образец восстановленной переуплотненной каолиновой глины, в которой в ходе испытания на трехосное сжатие образовались четко определенные несплошности.Эти неоднородности обычно называют плоскостями скольжения, но, поскольку они имеют конечную толщину (хотя, возможно, всего в несколько зерен), они более точно называются полосами сдвига. Совершенно очевидно, что после образования отдельных полос сдвига они оказывают глубокое влияние на общее поведение грунта в образце в лабораторных испытаниях и в грунте.

Рис. 19. Полосы сдвига в образце грунта

Возникновение плоскостей скольжения или полос сдвига в грунтах является центральным признаком геотехнического анализа устойчивости.Существует обширная литература о возникновении и развитии полос сдвига в почвах и других зернистых материалах, включая теоретические исследования (Vardoulakis & Sulem, 1995) и экспериментальные наблюдения (Viggiani et al ., 1994; Finno et al ., 1997). ). В своей лекции Рэнкина Берланд (1990) проанализировал поведение образцов почвы, содержащих полосы сдвига. Однако очень трудно получить значимые параметры почвы из таких искаженных и прерывистых образцов. Конечно, очень мало что можно узнать о жесткости грунта после того, как в образце образовалась полоса сдвига.В настоящее время вопрос заключается в том, как полосы сдвига влияют на пиковые значения прочности и деформации разрушения, измеренные в образцах грунта.

Углы пересечения полос сдвига в недренированных испытаниях

Обычно направления и углы пересечения полос сдвига в грунте связаны с полем напряжений. Обычно предполагается, что полосы сдвига возникают в характерных направлениях, которые являются плоскостями в грунте, в которых напряжения — это те места, где круг Мора касается границы разрушения: это приводит к стандартным полям напряжений Ренкина, в которых характеристики напряжения и полосы сдвига пересекаются в точках углы 90 — ϕ.

Для недренированного нагружения грунта это представляет проблему, потому что, с точки зрения общего напряжения, диапазон разрушения определяется как ϕ _u = 0, а в то же время с точки зрения эффективного напряжения он определяется углом трения. ϕ ′, которая не равна нулю. Это проиллюстрировано на рис. 20. Две окружности Мора, одна для полного напряжения и одна для эффективного напряжения, относятся к одному и тому же образцу в один и тот же момент времени, а угол пересечения 2α характеристик напряжения и полос сдвига может составлять 90 ° или 90 ° — ϕ ′.Возникает вопрос: каковы направления полос сдвига в недренированных испытаниях и, если полосы сдвига связаны с характеристиками напряжения, как почва узнает, какому кругу Мора и критерию разрушения, в общем или эффективном напряжении, следовать?

Рис. 20. Характеристики напряжений при недренированном нагружении: а — направления характеристик напряжений; (б) круг Мора для полного напряжения; (c) Круг Мора для эффективного напряжения

Формирование полос сдвига при трехосных испытаниях

На рисунке 21 показаны два первоначально идентичных образца переуплотненной каолиновой глины после примерно 15% осевой деформации в испытаниях на неограниченное сжатие.В обоих случаях общее содержание воды осталось неизменным. Образец слева показал сильную полосу сдвига. Полоса сдвига наклонена под углом примерно 60 ° к горизонтали, поэтому дополнительные полосы сдвига пересекаются под углом примерно 60 °. Образец справа ствольный; нет четкой полосы сдвига.

Рис. 21. Образцы каолиновой глины после испытаний на неограниченное сжатие

Разница между двумя образцами заключается в том, что образец слева, у которого образовалась полоса сдвига, деформировался очень медленно и достиг 15% осевой деформации примерно за шесть лет. часов, в то время как тот, который находился справа, был растянут очень быстро и достиг 15% осевой деформации примерно за одну секунду.Полосы сдвига, которые возникли в относительно медленных недренированных испытаниях, были в восстановленных образцах, а также проявляются в крупнозернистой почве. Они не связаны с уже существующими трещинами.

В мелкозернистых почвах скоростные процессы связаны в первую очередь с осушением. Можно предположить, что в образце, который был очень быстро деформирован, дренажа вообще не было, и образец оставался в постоянном объеме на всем протяжении. Однако в относительно медленном испытании существует вероятность того, что рядом с развивающейся полосой сдвига был некоторый местный дренаж.Даже если проницаемость низкая, длина дренажного канала может составлять всего несколько диаметров зерен.

Объемная деформация и полосы сдвига

Чтобы исследовать направления полос сдвига и изменения объема из-за местного дренажа, необходимо учитывать деформации, а не напряжения. Если деформации в материале по обе стороны от полосы сдвига малы по сравнению с деформациями внутри полосы сдвига, то материал в полосе сдвига будет деформироваться с плоской деформацией, и направления полос сдвига будут совпадать с направлениями нулевого растяжения (Роско, 1970).

На рисунке 22 показаны круги Мора приращения деформации для приращений деформации δε ₁ и δε ₃. В круге на рис. 22 (b) отсутствует объемная деформация (поскольку центр круга Мора находится в начале осей деформации), а полосы сдвига, которые совпадают с направлениями нулевого растяжения, пересекаются под углом 90 °. В круге Мора на рис. 22 (c) присутствует объемная деформация δε _v, и полосы сдвига пересекаются под углом 90 ° — ν, где ν — угол растяжения.

Рис. 22. Деформации в полосах сдвига: а — направления нулевого растяжения; (б) круг Мора для деформации постоянного объема; (c) Круг Мора для деформации с расширением

Это дает объяснение появления и отсутствия полос сдвига в первоначально идентичных образцах, подвергнутых сдвигу номинально без дренажа, но с очень разными скоростями деформации. На рис. 21 образец слева растягивался относительно медленно; было время для местного дренажа, почва в полосе сдвига расширялась, размягчалась и ослаблялась, и это позволяло полосе сдвига расти.Направление полосы сдвига в образце на рис. 21 соответствует углу растяжения ν около 30 °. Образец справа растянулся очень быстро; не было времени даже для местного дренажа, не было ни размягчения, ни разупрочнения, и не образовалась сильная полоса сдвига.

Вардулакис (1996a, 1996b) теоретически показал, что полосы сдвига связаны с локальным объемным деформированием и что это может происходить в глобальных недренированных испытаниях. Он также показал, что при отсутствии объемной деформации в полосе сдвига результирующие градиенты порового давления не могут поддерживаться в обычных медленных недренированных испытаниях.

Аткинсон и Ричардсон (1987) измерили углы пересечения полос сдвига в первоначально идентичных образцах восстановленной лондонской глины в номинально недренированных трехосных испытаниях с очень разными временами до разрушения. Они пришли к выводу, что угол между полосами сдвига определяется углом расширения ν, а не углом трения ϕ ′ или ϕ _u. Они показали, что по мере увеличения времени до разрушения, что дает больше возможностей для местного дренажа и увеличения угла расширения ν, наблюдаемые углы пересечения полос сдвига уменьшаются.Они также обнаружили, что если испытание было проведено очень быстро, образец стволился, и полосы сдвига не развивались.

Расширение полос сдвига

Объемные изменения полос сдвига наблюдались непосредственно в лабораторных испытаниях, модельных испытаниях и in situ . Desrues и др. . (1996) наблюдали соотношение пустот в полосах сдвига в пробах песка при трехосных испытаниях. Они обнаружили, что материал в развивающейся полосе сдвига расширился и в конечном итоге достиг уникального критического состояния.

Рисунок 23 — рентгеновский снимок из лекции Ренкина, прочитанной Роско (1970). Он показывает пассивную загрузку стены в сухой песок при движении стены слева направо. Тон изображения — это отрицательное отношение пустот в песке; темные полосы — более свободный материал. Есть отчетливые полосы более рыхлого расширенного песка. Они пересекаются под углом около 60 °. На рис. 24 показано содержание воды, измеренное Хенкелем (1956) в полосе сдвига в грунте за разрушающейся подпорной стенкой. Ширина полосы сдвига составляет всего несколько десятых дюйма, но содержание воды увеличилось примерно на 10%.Эти два набора данных ясно показывают, что полосы сдвига имеют конечную толщину, при которой грунт расширяется и ослабевает.

Рис. 23. Расширение полос сдвига в сухом песке за стенкой модели (по Роско, 1970)

Рис. 24. Содержание воды, наблюдаемое в полосе сдвига в грунте за обрушивающейся стеной (по Хенкель, 1956)

Влияние полос сдвига на пиковую прочность в недренированных испытаниях

Влияние скорости деформации и местного дренажа на поведение деформации и пиковую прочность, наблюдаемое в номинально недренированных трехосных испытаниях, было исследовано Аткинсоном и Ричардсоном (1987).Они показали, что направления полос сдвига, наблюдаемое поведение напряжения-деформации, траектории напряжений и пиковые значения прочности, наблюдаемые в номинально недренированных трехосных испытаниях, соответствовали местному дренажу и растяжению в полосах сдвига.

На рисунке 25 показана интерпретация, предложенная Аткинсоном и Ричардсоном (1987). На фиг.25 (а) и (с) показаны траектории состояний с осями q ‘, p ‘ и содержание воды для переуплотненных образцов с местным дренажом и без него. Рис. 25 (b) показывает соответствующее поведение напряжения-деформации.Путь ABF полностью недренирован; нет изменения объема, образец выходит из строя при F и нет пика прочности. Для пути CDE местный дренаж начинается в точке D; окончательное разрушение находится в точке E, пиковая прочность находится в точке D, которая является началом местного расширения. (Обратите внимание, что траектория ABF действительно имеет отношение пикового напряжения и пик ϕ ‘, но не пиковое отклонение напряжения.)

Пиковое состояние в точке B соответствует возникновению полосы сдвига из-за местного дренажа в медленном недренированном испытании. В быстром недренированном испытании, в котором не было местного дренажа и полосы сдвига, пиковая прочность соответствует пределу прочности при F.Для промежуточных скоростей нагружения или времени до разрушения пиковая прочность будет между D и F. Аткинсон и Ричардсон (1987) обнаружили, что пиковая прочность в номинально недренированных трехосных испытаниях уменьшалась с логарифмом времени до разрушения, что согласуется с с интерпретацией на основе местного дренажа в полосах сдвига.

ИНИЦИАЦИЯ СДВИГОВЫХ ПОЛОС В ПОЧВАХ

Раздел:

Проблема локализации и инициирования полос сдвига в гранулированных материалах была широко исследована теоретически (например,грамм. Vardoulakis & Sulem, 1995) и экспериментально (например, Finno et al ., 1997). В Городском университете Альберт (1999) провел трехосные испытания образцов из различных грунтов, используя четыре местных датчика осевой деформации, как показано на рис. 26 (а), в ожидании, что полоса сдвига пропустит один или несколько местных датчиков. На рис. 26 (b) показаны деформации, измеренные каждым из четырех локальных датчиков, в зависимости от средней осевой деформации при испытании на переуплотненной каолиновой глине. При средней деформации около 5% один из местных датчиков начал регистрировать деформации значительно меньшие, чем другие.Это используется для обозначения начала полосы сдвига.

Рис. 26. Возникновение полосы сдвига в трехосном образце: (а) оборудование; (b) Местные деформации в образце переуплотненной каолиновой глины

На рисунке 27 показаны траектория напряжения и кривые зависимости напряжения от деформации для испытания переуплотненного каолина, показанного на рисунке 26. Точка начала полосы сдвига при осевой деформации 5%, как следует из рис. 26 (б), обозначено стрелками. Эти данные показывают, что начало неравномерного деформирования и возникновение полосы сдвига происходит немного раньше пикового девиаторного напряжения и немного позже пикового отношения напряжений.Подобные результаты были получены Альбертом (1999) на других почвах, а также были получены несколькими другими (Viggiani et al ., 1994).

Рис. 27. Инициирование полосы сдвига в образце переуплотненной каолиновой глины

ПИКОВАЯ ПРОЧНОСТЬ, РАЗРУШЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПОЛОСЫ СДВИГА

Раздел:

Пиковая прочность, q _f. и деформация разрушения, ε _f, вместе с жесткостью при очень малой деформации E _o — это параметры, которые необходимы для определения жесткости и степени нелинейности.Есть свидетельства того, что максимальная прочность почвы сильно связана с местным дренажом и расширением, а также с возникновением полосы сдвига. Именно локальные деформации и изменения объема, ведущие к развитию полосы сдвига, в первую очередь определяют пиковую прочность и деформацию разрушения.

В большинстве практических случаев темп строительства достаточно медленный, чтобы позволить полосам сдвига развиваться в земле, если конструкция приближается к разрушению, даже если можно предположить, что земля в целом недренирована.Следовательно, испытания для измерения пиковой прочности и деформации разрушения, которые будут использоваться для определения жесткости и степени нелинейности, должны проводиться достаточно медленно, чтобы дать возможность развиваться полосам сдвига. Пиковые значения прочности, измеренные в образцах, в которых появляются полосы сдвига, будут меньше, чем значения, измеренные в образцах, которые не имеют полос сдвига.

ТИПОВЫЕ ЗНАЧЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОЧВЫ

Раздел:

Почвы, по сути, представляют собой совокупность зерен с градацией, минералогией, формой и структурой, которые расположены в плотной или рыхлой упаковке и подвергаются действующему действующему напряжению.При отсутствии прочного связывания или структуры параметры, описывающие механическое поведение почвы, должны зависеть в первую очередь от ее природы и состояния и, как правило, должны находиться в определенных пределах. Некоторые параметры, такие как угол трения критического состояния ϕ ′ _c. являются параметрами материала и зависят только от природы зерен. Другие, такие как очень маленький модуль упругости при сдвиге G _o, также зависят от состояния. Другие параметры, такие как A , n и m в уравнении (16), которые связывают механические свойства с состоянием, сами по себе являются параметрами материала и связаны с показателем пластичности, как показано на рис.16.

Типичные значения жесткости и прочности грунтов

Tatsuoka & Shibuya (1992) собрали данные о прочности на сжатие q _f и очень малой деформации модуль Юнга E _o для многих различных грунтов в самых разных состояния. Они также включали данные по другим материалам, включая камни, бетон и металлы. Их данные для типичных грунтов попадают в заштрихованную область на рис. 28.

Диапазон прочности на сжатие q _f составляет примерно от 80 кПа до 400 кПа; диапазон E _o составляет примерно от 80 МПа до 600 МПа; Диапазон жесткости E _o/ q _f составляет примерно от 3000 до 500.Эти данные, однако, не делают различий между разными почвами и между разными состояниями одной и той же почвы.

Изменение жесткости в зависимости от пластичности и состояния

(17)

(18)

Для нормально уплотненного грунта R _o = 1 и уравнение (18) эквивалентно с _u / σ ′ _v = B , где s _u — недренированная прочность, — вертикальное эффективное напряжение, а B связано с показателем пластичности (Skempton, 1957).Для переуплотненных почв параметр μ составляет приблизительно 0,8 для широкого диапазона почв (Muir Wood, 1990).

(19)

На рис. 29 показаны значения жесткости, определяемые уравнением (19), изменяющиеся в зависимости от текущего давления и коэффициента переуплотнения для грунтов с различными показателями пластичности.Для оценки уравнения (19) значения A , n и m были взяты из рисунка 16; значения для B, и μ были взяты из Muir Wood (1990). Диапазон значений жесткости на рис. 29 составляет примерно от 400 до 4000, что лишь немного больше, чем указано в данных Тацуока и Сибуя (1992) и показано на рис. 28.

Рис. 29. Вариация значений жесткость с показателем состояния и пластичности

Рисунок 29 (а) показывает, что жесткость грунта уменьшается с напряжением (для данного коэффициента переуплотнения).Это связано с тем, что значение n всегда меньше 1, и поэтому в уравнении (19) n -11 всегда отрицательно. Рис. 29 (б) показывает, что жесткость грунта уменьшается с коэффициентом переуплотнения (для данного напряжения). Это связано с тем, что значение м всегда меньше, чем значение μ, и поэтому m — μ всегда отрицательно. Эти результаты объясняют, почему жесткость жесткого грунта меньше жесткости мягкого грунта, как указано в таблице 1.

Типичные значения для ε _o

Предельная деформация, в пределах которой жесткость грунта может считаться постоянной. со значением G _o или E _o равно ε _o.Это может наблюдаться при испытаниях на резонансной колонне (Georgiannou и др. ., 1991) или в трехосных испытаниях с использованием точных местных датчиков (Coop и др. ., 1997).

По результатам испытаний на резонансной колонне было обнаружено, что предельная деформация сдвига γ _o (= 2 ε _o) увеличивается с индексом пластичности примерно с 10 ⁻³% (ε _o = 0 · 0005. %) для низкопластичных илов примерно до 10 ^-2% (ε _o = 0,005%) для высокопластичных глин (Georgiannou et al ., 1991). По результатам трехосных испытаний с очень точными местными датчиками Coop et al . (1997) обнаружили, что ε _– меньше 0 · 0001% для несвязанных крупнозернистых почв. Для связанных грунтов и мягких пород значения ε _o относительно велики; Cuccovillo & Coop (1997) обнаружили ε _o около 0,02% в тестах на неповрежденных образцах Greensand.

Изменение деформации разрушения в зависимости от состояния

На рисунках 30 (a) и (b) показаны вариации деформации при разрыве, при пиковом девиаторном напряжении, с исходным состоянием для ряда различных грунтов для осушенных и недренированных трехосных испытаний.За исключением данных по Brasted Sand (Cornforth, 1967), данные взяты из испытаний, проведенных в Городском университете. Эти данные показывают, что в целом деформация разрушения снижается с увеличением коэффициента переуплотнения и уменьшением удельного объема. Это означает, что, как правило, деформация разрушения и, следовательно, степень нелинейности имеет тенденцию к уменьшению по мере удаления состояния от опорной линии, как показано на рис. 30 (c) (т.е. степень нелинейности будет иметь тенденцию уменьшаться при переуплотнении).

Рис. 30. Изменение деформации разрушения в зависимости от состояния: (а) мелкозернистые грунты; б) крупнозернистые почвы; (c) общие характеристики

Данные, представленные на рисунках 29 и 30, демонстрируют, что, по крайней мере, для восстановленных грунтов жесткость и степень нелинейности меняются в соответствии с природой зерен почвы и текущим состоянием почвы. Инженеры любят верить, что инженерные свойства грунтов изменчивы. На самом деле они есть, но они меняются последовательно и предсказуемо.

ВЛИЯНИЕ НЕЛИНЕЙНОСТИ ПОЧВЫ НА ПРОЕКТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Раздел:

Нелинейность грунта можно описать жесткостью и степенью нелинейности, и интересно изучить, как они влиять на выбор параметров для простого рутинного проектирования. Для этого полезно использовать простое выражение для нелинейного поведения напряжения-деформации.

(20)

Касательный модуль Юнга E _t затухает с деформацией; есть область очень небольшой деформации, где E _t = E _o до предельной деформации ε _o; имеется деформация разрушения ε _f. Существует также прочность на сжатие q _f, которая фиксирует значение r , так что площадь под кривой жесткость-деформация составляет q _f.(Для типичных значений жесткости и степени нелинейности грунта значение r обычно находится в диапазоне от 0,1 до 0,5.)

Уравнение (20) применимо к осушаемой или недренированной нагрузке, при этом соответствующие значения параметров. Его можно проинтегрировать, чтобы получить простое выражение q = q (ε), и отсюда можно рассчитать секущий модуль Юнга. Варьируя параметры E _o, q _f и ε _f, это описывает поведение напряженно-деформированного состояния грунтов с различной жесткостью и различной степенью нелинейности.

На рисунке 31 показано поведение грунта, определяемое уравнением (20), построенное для грунта с жесткостью 1000 и для степеней нелинейности в диапазоне от 10 до 100. На рис. 31 (a) коэффициент нагрузки, если L _f = q / q _f. Данные показывают, как коэффициент загрузки, L _f. и коэффициент секущей жесткости, E _s/ E _o, изменяются в зависимости от степени нелинейности. При деформации 0,1%, указанной стрелками, коэффициент нагрузки и коэффициент жесткости изменяются в 2–3 раза.

Рис. 31. Изменение проектных параметров в зависимости от деформации и степени нелинейности

На рисунках 32 (a) и (b) показаны вариации коэффициента нагрузки и отношения жесткости в зависимости от степени нелинейности и жесткости при деформации. 0,1%. В типичном диапазоне нелинейных параметров грунта коэффициент жесткости, необходимый для расчетной деформации 0,1%, изменяется от примерно 0,5 до менее 0,2, а изменение коэффициента нагрузки больше. Рис. 32 (c) показывает, как отношение жесткости к прочности ( E _s/ s _u) изменяется с нелинейностью; это параметр, часто используемый в простом рутинном дизайне.Подобные расчетные кривые могут быть легко разработаны для других характеристических деформаций из простого уравнения деформации, такого как приведенное в уравнении (20).

Рис. 32. Изменение проектных параметров в зависимости от жесткости и степени нелинейности для ε = 0,1%

Данные, приведенные на рисунках 31 и 32, рассчитаны для значения ε _o = 0,001%. . Для меньших значений ε _o мало влияет на коэффициент нагрузки или коэффициент жесткости. Однако для связанных грунтов и мягких пород ε _o может быть значительно больше, чем 0 · 001%, и тогда значение ε _o начинает оказывать влияние на коэффициент нагрузки и коэффициент жесткости.Для этих материалов лучшая основа для проектирования может заключаться в том, чтобы избежать деформаций в грунте, которые превышают значение ε _o, особенно если материал является хрупким с быстрым падением жесткости с деформацией после ε _o.

ДЕФЕКТЫ В ТРЕХОСНЫХ ОБРАЗЦАХ И ДВИЖЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Раздел:

Данные на рисунках 31 и 32 относятся к коэффициенту нагрузки и отношение жесткости к нелинейным параметрам деформации в образце для трехосных испытаний. Но обычные конструкции учитывают движения грунта, поэтому необходимо связать деформации в трехосных образцах с перемещениями грунта.

На рис. 33 (а) показаны результаты расчетов методом конечных элементов для трехосного образца, а также для неглубоких полос и круглых фундаментов для недренированной нагрузки (Simpson, 2000). Все анализы проводились с использованием модели BRICK (Simpson, 1992) с тем же набором параметров материала. Кривая растяжения для трехосного образца построена с осями q и ε _a. Поведение фундамента отображается как давление опоры σ и отношение осадки к ширине ρ / B .Все три кривые приближаются к постоянному напряжению при относительно больших деформациях или осадках, а несущая способность связана с прочностью на сжатие через соответствующий коэффициент несущей способности.

Рис. 33. Анализ методом конечных элементов неглубоких фундаментов и трехосное испытание для одного и того же грунта

(21)

_ρ

Из рис. 33 (b) значения ρ / B для неглубокого фундамента в два-три раза больше, чем осевые деформации в трехосном образце при той же средней жесткости.Эти результаты означают, что жесткость при определенной деформации, измеренной в трехосном образце, связана с расчетной жесткостью фундамента при значениях ρ / B, которые в два-три раза превышают соответствующую осевую деформацию в трехосном образце. Болтон (1993) получил аналогичные результаты для неглубоких и глубоких фундаментов и для подпорных стен, используя анализ пластичности.

НЕЛИНЕЙНОСТЬ В МОДЕЛИ И ПОЛНОМАСШТАБНЫХ ФУНДАМЕНТАХ

Раздел:

Влияние нелинейности на поведение фундамента и на выбор расчетной жесткости можно проиллюстрировать, связав поведение модели при нелинейной оседании нагрузки и полной -масштабные основы с нелинейными характеристиками грунта.

Фундаменты в лондонской глине

Также на рис. 34 (a) и (b) показаны пунктирные линии, которые представляют поведение London Clay в недренированном трехосном испытании. Данные для них были рассчитаны с использованием простой модели, приведенной в уравнении (20), с параметрами для London Clay, которые были наилучшей оценкой средних значений для многих рассмотренных участков.(Используемая процедура заключалась в том, чтобы интегрировать уравнение (20), выбрать значение r , чтобы получить требуемые значения q _f и получить значения секущего модуля Юнга из рассчитанной кривой напряжения-деформации.) Твердое тело Линии на рис. 34 — это линии для трехосного испытания с увеличенными в три раза деформациями для учета различий между осевыми деформациями в трехосных образцах и значениями ρ / B для фундаментов.

Для фундаментов жесткость, рассчитанная на основе результатов полевых наблюдений, уменьшается с увеличением значений ρ / B так же, как жесткость уменьшается с деформацией при трехосном испытании.Однако значения меньше, чем соответствующие линии для трехосного испытания с увеличенными в три раза деформациями. Считается, что это связано с некоторым дренажем, который, вероятно, произошел в земле во время строительства и загрузки фундамента. Дренаж будет иметь эффект увеличения осадки и, таким образом, уменьшения расчетной жесткости.

Значения ρ / B , наблюдаемые для фундаментов на лондонской глине, показанные на рис. 34, находятся в диапазоне примерно от 0,05% до 0,5%. Они сопоставимы с типичным диапазоном деформаций для фундаментов, приведенным Mair (1993) и показанным на рис.1.

Модель фундамента центрифуги на каолиновой глине

Хотя всегда полезно иметь возможность сравнивать теоретический анализ с натурными наблюдениями, часто бывает сложно получить всю необходимую информацию о грунте, структуре, ее нагрузках и населенные пункты и условия дренажа. Многие из этих неопределенностей можно избежать, наблюдая за поведением тщательно контролируемых масштабных моделей с использованием хорошо задокументированных почв. Поскольку грунты в основном представляют собой фрикционные материалы, и многие из их жестких и прочностных свойств зависят от текущего эффективного напряжения, геотехнические модели должны правильно масштабировать эффективное напряжение.Эффективное масштабирование напряжений может быть достигнуто путем тестирования моделей в геотехнической центрифуге (Schofield, 1980).

На рисунке 35 (a) показана лондонская геотехническая центрифуга в Городском университете (Schofield & Taylor, 1988), а на рис. 35 (b) показана деталь твердого неглубокого фундамента в виде масштабной модели на переуплотненной каолиновой глине, которая была загружена в центрифугу (Stallebrass & Taylor, 1997). Фундамент диаметром 60 мм. и во время испытания ускорение центрифуги составляло 100 g, поэтому эксперимент моделировал фундамент диаметром 6 м.Приборы измерили профиль осадки поверхности, но здесь будет рассматриваться только осадка жесткого основания.

Рис. 35. (а) Лондонская геотехническая центрифуга, (б) Модель центрифуги фундамента

Данные испытания под нагрузкой на фундамент показаны на рис. 36. Данные показаны в той же форме, что и данные для фундаментов в Лондоне. Глина на рис. 34 (а). Как и раньше, линии для трехосного испытания были рассчитаны по уравнению (20) с параметрами, которые были наилучшими оценками для каолиновой глины в состояниях вблизи модельного фундамента.

Жесткость, рассчитанная на основе обратного расчета осадки модели фундамента, уменьшается с увеличением осадки. Эти значения жесткости близки к тем, которые дает линия для трехосного испытания с увеличенными в три раза деформациями.

Испытания модели пластиной под нагрузкой в песках

В качестве альтернативы, испытания модели могут проводиться при повышенном эффективном напряжении в калибровочной камере. В этом случае предполагается, что напряжения однородны по глубине, а не увеличиваются с глубиной, как в модели центрифуги.

На рис. 37 показаны данные нагрузочных испытаний модельных плит в сухом карбонатном песке и в сухом кварцевом песке в калибровочной камере (Jamiolkowski, 2000). Начальное среднеэффективное напряжение в этих испытаниях обычно находилось в диапазоне от 50 до 180 кПа. Данные показаны в той же форме, что и данные для фундаментов на лондонской глине на рис. 34 (a), за исключением того, что секущие модули Юнга E ′ _s теперь выражены в единицах эффективного напряжения, соответствующего дренированной нагрузке сухой песок.

Рис. 37. Осадки модельных плит: а — карбонатный песок; (b) кварцевый песок (данные Jamiolkowski, 2000)

Линии для трехосных испытаний были рассчитаны по уравнению (20) с параметрами, которые были наилучшими оценками для эффективных параметров напряжения для двух песков в начальных состояниях вблизи модельных пластин. в калибровочной камере. Жесткость, принятая для карбонатного песка (= 1500), была такой же, как и для кварцевого песка, в то время как степень нелинейности, принятая для карбонатного песка ( n ₁ = 150), намного больше, чем степень нелинейности, принятой для кварцевого песка ( n ₁ = 15).Это отражает наблюдение, что деформация при разрушении при максимальной прочности в карбонатном песке часто бывает относительно большой, тогда как для кварцевого песка в том же состоянии она обычно относительно мала.

Для обоих песков секущие жесткости, рассчитанные на основе результатов испытаний модельной плиты по уравнению (21), затухают с осадкой, и в обоих случаях они близки к значениям, полученным по линиям для трехосных испытаний с увеличенными в три раза деформациями.

ВЛИЯНИЕ НЕЛИНЕЙНОСТИ НА КОЭФФИЦИЕНТ ЖЕСТКОСТИ ДЛЯ ДИЗАЙНА

Раздел:

На рисунке 38 показаны значения модуля Юнга дренированной и недренированной секущей, рассчитанные на основе результатов модельных испытаний фундаментов и плит на кварцевом песке, карбонатном песке и каолиновой глине. .При том же значении ρ / B коэффициент жесткости для кварцевого песка значительно больше, чем для карбонатного песка или каолиновой глины, или, при таком же соотношении жесткости, осадки для фундамента на кварцевом песке будут значительно больше, чем для кварцевого песка. осадки фундаментов на карбонатном песке или каолиновой глине. Эти различия обусловлены главным образом разной степенью нелинейности и, в меньшей степени, различной жесткостью трех материалов.

Рис.38.Осадки модельных фундаментов на песках и глине

Модельные плиты не разрушились; в каждом случае опорное давление продолжало увеличиваться даже после очень больших оседаний. Следовательно, трудно определить несущую способность и исследовать взаимосвязь между коэффициентом нагрузки, осадкой и характеристиками грунта.

ПРОСТОЙ ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Раздел:

Проектирование — это всегда итеративный процесс, и на рис. 39 показан простой метод рутинного проектирования с учетом нелинейности.

Рис. 39. Простой процесс проектирования

Суть состоит в том, чтобы получить соотношение между коэффициентом жесткости E _s/ E _o и ρ / B . Для этого требуется: измерение очень небольшой деформационной жесткости E _o, прочности q _f и деформации разрушения ε _f; построение трехосной кривой напряжения – деформации из уравнения (20) или аналогичной зависимости; построение кривой отношения жесткости E _s/ E _o против ρ / B с использованием зависимости между трехосной деформацией и перемещениями грунта.Для фундамента значения ρ / B примерно в три раза превышают осевую деформацию в трехосном испытании с той же жесткостью.

Затем процесс проектирования повторяется по циклу, как показано на рисунке, до тех пор, пока нагрузки, размеры, жесткость и осадки не станут совместимыми.

РЕЗЮМЕ И ВЫВОДЫ

Раздел:

Напряженно-деформированное поведение грунта сильно нестандартно. -линейность и жесткость как для осушенной, так и для недренированной нагрузки уменьшается с деформацией. Это имеет значение как для испытаний, чтобы определить параметры конструкции, так и для расчетов перемещений грунта и конструкции.Полный анализ геотехнических сооружений требует специальных лабораторных испытаний и сложных численных расчетов. В качестве альтернативы, для более простых рутинных анализов, которые рассчитывают движение только в одном направлении, требуются коэффициенты нагрузки или жесткости, которые из-за нелинейности почвы зависят от перемещений и деформаций.

Простое нелинейное поведение напряжения-деформации может характеризоваться жесткостью, E _o / q _f, и степенью нелинейности, ε _f / ε _r, где эталонная деформация, ε _r, является величиной, обратной жесткости.Эти параметры почвы можно измерить с помощью обычных и относительно простых тестов.

Модуль Юнга при очень малой деформации, E _o, может быть получен из измерений скорости поперечной волны in situ при внутрискважинных или межскважинных испытаниях или в лабораторных образцах с использованием гибочных элементов. Для изотропного грунта отношения между скоростью поперечной волны и параметрами жесткости просты, но для анизотропного грунта они более сложны, и для полной интерпретации требуются дополнительные испытания. E _o является важным параметром конструкции, поскольку он способствует характеристике нелинейного поведения и является основой для коэффициента жесткости E _s / E _o для стандартного проектирования.

Прочностные и разрушающие деформации, характеризующие нелинейность грунта, находятся в пиковом состоянии. Их можно измерить с помощью обычных лабораторных испытаний, но они сильно зависят от местного дренажа и возникновения полос сдвига.

Многие параметры жесткости и прочности грунта зависят от текущего состояния, измеряемого как расстояние от точки состояния до опорной линии.Для восстановленных почв и для естественных почв, которые не являются прочно связанными или структурированными, параметры жесткости и прочности зависят от природы и состояния почвы относительно простыми способами. Жесткость при очень малых деформациях связана с текущим состоянием через параметры, которые сами по себе в основном зависят от природы почвы. Напряжение при отказе в пиковом состоянии также зависит от состояния.

Параметры жесткости грунта, полученные в результате обратного анализа наблюдаемых оседаний натурных и модельных фундаментов, являются нелинейными и разрушаются с оседанием так же, как жесткость уменьшается с деформацией в трехосном испытательном образце.Для эквивалентной жесткости значения отношения осадки фундамента к ширине (ρ / B ) в два-три раза больше, чем соответствующие осевые деформации при трехосном испытании. Принимая во внимание это различие, зависимости жесткости от осадки, рассчитанные на основе наблюдаемых оседаний модельных фундаментов и плит, согласуются с нелинейным поведением напряжения и деформации, измеренным в простых лабораторных испытаниях. Жесткость, рассчитанная на основе наблюдаемых оседаний фундаментов в Лондоне, глина разрушалась с оседанием таким же образом, но была меньше, чем те, которые соответствуют отношениям жесткости и деформации, измеренным в трехосных испытаниях.Различия объясняются частичным дренажом в земле во время строительства.

Нелинейное поведение грунта можно учесть в простых рутинных процедурах проектирования. Параметры, характеризующие нелинейную жесткость, можно измерить с помощью простых рутинных испытаний, а анализ прост. Однако эти простые методы ограничены. Они могут определять движение только в одном направлении для относительно простых конструкций и для почв с хорошим поведением. Для сложных структур, или для грунтов, которые сильно связаны или сильно структурированы, или если необходимы поля полного напряжения, деформации и смещения, потребуются более сложные процедуры.

БЛАГОДАРНОСТИ

Я признателен многим людям, которые так или иначе внесли свой вклад в лекцию и письменную статью. Мне очень повезло, что я проработал почти 20 лет в динамичной и требовательной к интеллектуальному развитию исследовательской группе в Городском университете. Я многим обязан профессору Раулю Франклину, который изначально был инженером-строителем, который большую часть того времени был вице-канцлером и который предусмотрительно основал и поддержал исследовательские центры в университете. Большая часть работы, которая легла в основу лекции, была проделана студентами-исследователями, научными сотрудниками, техническими специалистами и посетителями Городского университета.Во время подготовки лекции и статьи мои коллеги, Нил Тейлор, Мэтью Куп и Сара Сталлебрасс, оградили меня от множества отвлекающих факторов и предоставили мне информацию, данные и поддержку. Они и другие сотрудники Городского университета прослушали несколько репетиций лекции и прокомментировали статью. Коллеги из Arup Geotechnics также прослушали репетиции лекции и помогли с расчетами. Я особенно благодарен Джоаккино Виггиани за помощь с полосами сдвига, Мартину Лингсу за помощь с анизотропией, Тони Бутчеру и Майку Ямиолковски за тестовые данные, Войкану Йовичичу за фотографии и другую помощь и Брайану Симпсону и Саре Сталлебрасс за расчеты методом конечных элементов. .Наконец, я благодарен своей семье, Джо, Роберту и Николасу; их работа заключалась в том, чтобы вовремя и хорошо подготовить меня на лекцию, и они это сделали. Николас снял видео, которое было важной частью лекции, а также сделал множество диаграмм.

В последний раз, когда мне приходилось выступать с этой трибуны, профессор Питер Воган дал мне дружеский совет: «Решите, какие из ваших слайдов вы хотите, чтобы аудитория поняла, а какие — не хотите, чтобы они понимали!» чтобы внести ясность в одни части презентации, но затемнить другие.Сравните с Джоном Аткинсоном: в лекции мы видели типичный пример работы Джона — часть его миссии заключалась в том, чтобы взять относительно сложную информацию, прояснить и упростить ее, где это возможно, и сделать ее доступной для практического использования.

Чем больше мы знаем о почвах, тем больше осознаем их сложность. Джон упомянул такие особенности, как нелинейность, анизотропия, полосы сдвига, зависимость от истории и так далее. Но мы также понимаем, что нам необходимо выполнять простые расчеты, которые будут приблизительными, но, тем не менее, полезными в качестве вспомогательного средства для проектирования.Фактически, какими бы сложными мы ни были, они всегда являются лишь весьма отдаленными приближениями к реальному поведению, которое содержит слишком много сложностей для точного определения и анализа.

Я впервые познакомился с Джоном Аткинсоном незадолго до того, как я его встретил, когда я изучал его докторскую диссертацию. Это относилось к свойствам жесткости лондонской глины, измеренным в трехосных испытаниях, и давало много сведений об анизотропном поведении материала. Я отметил, в частности, очень полезное и честное заявление о том, что он не смог устранить штаммы менее 0,1% (я думаю, что это было так).Каким-то образом это утверждение содержало семена и предположение, что поведение глины при очень малых деформациях может отличаться от того, что обычно измерялось. И Джон со временем стал играть ведущую роль в бизнесе по измерению очень малых деформаций, которые на самом деле являются деформациями того порядка, который испытывает земля во многих практических ситуациях.

В своей лекции он показал нам результаты разработок с небольшими тензодатчиками и элементами гибки — испытание поперечной волной — для измерения наименьшего диапазона деформаций.Он напомнил нам, что интерпретация результатов лабораторных испытаний не всегда проста, а плохая интерпретация может сделать поведение почвы более сложным и менее предсказуемым, чем оно есть на самом деле. Четкое понимание деталей процедуры испытания и грамотный осмотр лабораторных образцов во время и после испытания жизненно важны для того, чтобы избежать ошибок. Джон и его команда в Городском университете регулярно применяют эти навыки в своей работе и передают их студентам.

Тем не менее, целью Джона на лекции было показать, как понимание, которое было развито в современных лабораторных испытаниях, может быть использовано практиками для получения полезного эффекта.Он сократил сложность до небольшого числа параметров, и было интересно посмотреть, как почвы можно сравнить с другими распространенными материалами, используя эти параметры. Он сконцентрировался на единственной проблеме — проблеме осадки неглубокого фундамента — и начал с двух параметров, которые легче всего измерить: прочности при больших деформациях и жесткости при очень малых деформациях. Затем он показал, как осадки могут быть оценены для всего диапазона нагрузки от нуля до разрушения на основе зависимости жесткости от деформации, полученной в лабораторных испытаниях.Это проблема, с которой всегда сталкивались проектировщики фундаментов: мы лучше оцениваем окончательный отказ, который, как правило, является отдаленной и почти несущественной возможностью, чем оцениваем осадки в процессе эксплуатации, которые затрагивают все конструкции, иногда вызывая значительный ущерб. Необходимость оценки перемещений справедливо еще раз подчеркивается современными практическими правилами, но средства для этого часто недоступны.

Я знаю, что основная цель Джона заключалась в том, чтобы инженеры на практике чувствовали, что они лучше понимают значение нелинейного поведения в почвах, и что им был показан простой метод, который они могут использовать для выполнения полезных вычислений в режиме реального времени. с последними достижениями в понимании.Я думаю, вы согласитесь с тем, что Джон добился того, что намеревался сделать, и его вклад будет опробован, протестирован, использован (и он ожидал, что он будет оспорен и улучшен) инженерами на практике.

Я уверен, что вы захотите присоединиться ко мне и поблагодарить Джона за очень интересную и заставляющую задуматься лекцию, которую можно проверить в повседневной практике.

Аткинсон выбыл на 4-6 недель для «Блю Джекетс» со сломанной ногой

Нападающий «Коламбус Блю Джекетс» Кэм Аткинсон будет отсутствовать на 4-6 недель и был помещен в резерв с травмой во вторник после того, как в субботу сломал правую ногу.

Аткинсон получил пощечину удар товарища по команде Сета Джонса в первом периоде победы 2: 1 над Филадельфией Флайерз. Он остался в игре и отыграл 22:26, что стало его четвертым по величине общим временем на льду в сезоне.

«Нам просто нужно с этим разобраться», — сказал генеральный директор Ярмо Кекалайнен веб-сайту Blue Jackets. «Это будет отличным испытанием для нашей глубины и отличной возможностью для некоторых других парней сыграть более важные роли прямо сейчас, и нам просто придется с этим смириться.»

[СВЯЗАННО: фэнтезийные шумихи: Влияние травм Барри, Аткинсона и Веннберга]

Аткинсон подписал семилетний контракт на сумму 41,125 миллиона долларов 17 ноября. У него 13 очков (шесть голов) , семь передач) в 32 играх после того, как в прошлом сезоне лидировали с «Блю Джекетс» с 35 голами, и это хороший результат для игры против «Аризона Койотс» 9 декабря.

«Блю Джекетс» (22-13-2) играют с «Питтсбург Пингвинз». в PPG Paints Arena в среду (7 стр.м. ET; АТЦН-ПТ, ФС-О, НХЛ.ТВ). Они делят с «Вашингтон Кэпиталз» второе место в столичном дивизионе, отставая на одно очко от «Нью-Джерси Девилз».

Колумб уже каждый день без защитников Зака Веренски (верхняя часть тела) и Райана Мюррея (верхняя часть тела). Нападающий Брэндон Дубински выбыл из игры на месяц с переломом орбитальной кости, а нападающий Александр Веннберг будет отсутствовать через 4-6 недель из-за травмы спины, полученной в результате поражения в серии пенальти 3: 2 от «Пингвинз» 21 декабря.

Веннберг также был помещен на место. во вторник, когда был травмирован резерв, и «Блю Джекетс» отозвали нападающего Тайлера Мотта и защитника Дина Кукана из Кливленда из Американской хоккейной лиги и добавили нападающих Джордана Шредера и Сонни Милано в экстренном порядке.

«У каждой команды в этой лиге есть травмы, и они не будут пытаться вам помочь», — сказал он. «Нелегко найти подкрепление извне, когда нужно отказаться от чего-то, чтобы что-то получить. Мы не собираемся сойти с ума, закладывая свое будущее в залог за то, что может занять месяц или шесть недель».

«Кажется, люди думают, что есть команды, которые просто жертвуют вам игроков, а этого не происходит». Мы по-прежнему будем открыты и взвесим наши варианты, чтобы увидеть, есть ли возможности, которые могут помочь нам пройти через это. , но мы не торгуем пиками первого раунда или нашими лучшими перспективами, чтобы преодолеть ситуацию, которая может длиться 4-6 недель.»

Основы физической среды: четвертое издание

«Я по-прежнему считаю, что эта книга — лучший текст вводного уровня в этой области». — Мэтью Бэмптон, Университет Южного Мэна

‘ Идеальный текст для студентов-экологов, обеспечивающий основу для понимания того, как устроен мир природы. Это явно превосходит стандартные методы исследования системы Земли, используемые в бакалавриате, благодаря своей легко исследуемой глубине исследования, целостной картине, которую он дает, четкой графической обработке сложных тем и своей простой и очень естественной организации.Обзор этого объема и доступности должен быть «обязательным к прочтению» для всех, кто обеспокоен окружающей природной средой мира ». — Рик Хазлетт, Колледж Помона, Калифорния

«Четвертое издание прочно переносит этот учебник в глобальное общество, которое все больше интересуется последствиями изменения климата. Новые, обновленные и модернизированные главы, посвященные текущим и будущим изменениям окружающей среды, погодообразующим системам, влиянию климата и полярной окружающей среде, укрепят его позицию среди лучших образовательных ресурсов по физической географии и наукам об окружающей среде.’ — Жако Х. Баас, Бангорский университет

«Лучший текст для моих первых курсов по физической географии за более чем десять лет … Авторы должны быть отмечены за их ясный и легкий стиль». — Крис Янг, Университетский колледж Крайстчерча, Кентербери

«Если бы эта книга была доступна в мои студенческие годы, это сэкономило бы мне много времени и усилий на поиск нескольких текстов, когда этой одной книги было бы достаточно… По такой разумной цене эта книга настоятельно рекомендуется для студентов первого курса, которым требуется обширный опыт в этой области ». — Международный журнал экологического образования и информации, Том 17, № 1, январь 98 г.

‘ Это четвертое издание содержит многочисленные обновленные, углубленные обсуждения тем, организованных в рамках системного подхода и важных для всестороннего изучения физической среды и земных процессов … Рекомендуется.’– Выбор, май 2009 г.

Дилан Аткинсон | Учреждение инженеров-строителей

Завершите фразу: Я инженер-строитель, но я также …

Претендент. Я не имею в виду это сложно, но мне нравится спрашивать «почему». Мне нравится бросать вызов существующему процессу и пытаться найти способ сделать что-то лучше. Мне нравится пробовать и находить инновационные способы завершения
. задач и делюсь своими успехами со своими коллегами.

Что вам больше всего нравится в гражданском строительстве, чего вы не знали, пока не начали работать в этой отрасли?

Я не думаю, что вы сможете понять, сколько всего происходит в крупном строительном проекте, пока не испытаете этот процесс на себе.

В проекте так много элементов и так много всего происходит одновременно.

За свою короткую карьеру я даже не коснулся поверхности с точки зрения понимания всех потенциальных ролей в профессии гражданского инженера. Разнообразие невероятное. Есть так много разных способов сделать карьеру в области гражданского строительства.

Над каким строительным проектом (прошлым или настоящим) вы бы хотели работать?

Думаю, когда я впервые увидел аэропорт Джуэл Чанги в Сингапуре, я не поверил, что он был построен.

Изначально, когда я впервые увидел все деревья в аэропорту, я был настроен скептически. Затем это заставило меня задуматься о различных способах решения различных проблем, так что теперь я думаю об этом как о символе того отношения, которое мы должны иметь, когда переосмысливаем окружающую среду.

Назовите один миф о гражданском строительстве, который вы хотели бы развенчать.

Это скучно! Конечно, во всем, что вы делаете в жизни, есть скучные элементы, но, поверьте мне, в гражданском строительстве захватывающие проблемы и новые задачи намного перевешивают скучное и обыденное.

Гражданское строительство находится в процессе цифровой трансформации, поэтому сейчас один из самых захватывающих моментов для входа в отрасль. Я уже вижу изменения в том, как мы работаем. Мне не терпится увидеть и стать частью того, как мы собираемся разрабатывать / работать в полностью цифровой индустрии.

Материал	_{MP 9018}	q _f: МПа	E _o/ q _f	ε _r:%	ε _f:%	9047 f2 r
Бетон	28000	40	700	0 · 15	0 · 35	2
Стекло	7001400	1 · 5	1

Мягкая сталь	210000	430	500	0 · 2	30	150
Медь	120000	200	600	0 · 15	35	250
Алюминий	70014 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 10018	10	70

Резина	10	20	0 · 5	200	800	4	0 · 2	5	25

Мягкий грунт	100	0 · 05	2000	0 · 05	60 200	300	0 · 3	1000	0 · 1	1	10

Лед и ледники. Герман фон Гельмгольц; Перевод Эдмунда Аткинсона. 1909-14. Научные статьи. Гарвардская классика

9045 9045 9045 9045 9045 9045

Выберите поискWorld FactbookМеждународный тезаурус РоджераЦитаты БартлеттаУважительно процитированыFowler’s King’s EnglishСтиль СтранкаМенкенский языкКембриджская историяБиблия короля ДжеймсаОксфорд ШекспирАнатомия ГреяФермерская поваренная книгаЭтикет поста, фраза пивовара и мифология БулфонаЭлиот, Т.С.Фрост, Р. Хопкинс, GMKeats, Дж. Лоуренс, DHMasters, Э.Л.Сэндбург, К.Сассун, С.Уитман, У. Вордсворт, У. Йейтс, WBA Все документальные произведения Гарвардская классикаАмериканские очерки Относительность ЭйнштейнаГрант, США Рузвельт, Т. История УэллсаПрезидентские инаугурацииВся художественная литератураПолка художественной литературыИстории о привиденияхКраткие рассказыШоу, Дж. Б. Стейн, Г. Стивенсон, Р. Л. Уэллс, HG

Nonfiction> Scientific4605 9045

СОДЕРЖАНИЕ · СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ · БИБЛИОГРАФИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ

Научные статьи.
Гарвардская классика. 1909–14.

Лед и ледники

Лекция, проведенная во Франкфурте-на-Майне и в Гейдельберге в феврале 1865 г. фон Гельмгольц; Перевод Эдмунда Аткинсона

901 901 A469

МИР льда и вечного снега, который открывался нам на вершинах соседней альпийской цепи, такой суровый, такой одинокий, такой опасный, может быть, имеет свое особое очарование.Он не только привлекает внимание философа-естествоиспытателя, который находит в нем самые прекрасные открытия относительно настоящей и прошлой истории земного шара, но каждое лето он привлекает тысячи путешественников всех условий, которые находят там душевное и телесное развлечение. . В то время как одни довольствуются тем, что восхищаются издалека ослепительным украшением, которое чистые, светящиеся массы снежных вершин, вставленные между более глубокой синевой неба и сочной зеленью лугов, придают пейзажу, другие смелее проникают в странный мир. , охотно подвергая себя самым крайним степеням напряжения и опасности, если только они могут наполниться аспектом его возвышенности.

Я не буду пытаться то, что так часто предпринималось напрасно, — передать словами красоту и великолепие природы, внешний вид которой восхищает альпийского путешественника. Я вполне могу предположить, что большинству из вас это известно из ваших собственных наблюдений; или, можно надеяться, так и будет. Но я полагаю, что восторг и интерес к великолепию этих сцен сделают вас более склонными прислушиваться к замечательным результатам современных исследований наиболее выдающихся явлений ледникового мира.Здесь мы видим, что мельчайшие особенности льда, простое упоминание о которых в другое время могло бы рассматриваться как научная тонкость, являются причинами самых важных изменений в ледниках; бесформенные каменные массы начинают рассказывать свою историю внимательному наблюдателю, истории, которые часто простираются далеко за пределы прошлого человечества в безвестность первобытного мира; мирное, единообразное и благотворное влияние огромных природных сил, где на первый взгляд видны только пустыни, либо бесконечно протянувшиеся в безрадостных, унылых уединениях, либо полные дикой, угрожающей неразберихи — арена разрушительных сил.И поэтому я думаю, что могу пообещать, что изучение связи тех явлений, которые я могу дать вам лишь в очень кратком изложении, не только даст вам прозаические инструкции, но и доставит вам удовольствие от великолепных сцен высокого горы более яркие, ваш интерес глубже, а ваше восхищение более возвышенным.

Позвольте мне прежде всего напомнить вам основные черты внешнего вида снежных полей и ледников; и позвольте мне упомянуть точные измерения, которые способствовали дополнительным наблюдениям, прежде чем я перейду к обсуждению случайной связи этих процессов.

Чем выше мы поднимаемся в горы, тем холоднее становится. Наша атмосфера подобна теплому покрывалу, покрытому землей; он почти полностью прозрачен для падающих лучей солнца и позволяет им проходить почти без заметных изменений. Но он не столь же проницаем для непонятных тепловых лучей, которые, исходящие от нагретых земных тел, с трудом распространяются в космос. Они поглощаются атмосферным воздухом, особенно когда он влажный; сама масса воздуха нагревается при этом и лишь медленно излучает в космос накопленное тепло.Таким образом, расход тепла замедляется по сравнению с подачей тепла, и определенный запас тепла сохраняется по всей поверхности земли. Но на высоких горах защитное покрытие атмосферы намного тоньше — излучаемое землей тепло может более свободно уходить оттуда в космос; там, соответственно, накопленный запас тепла и температура намного меньше, чем на более низких уровнях.

К этому нужно добавить еще одно свойство воздуха, которое действует в том же направлении.В воздушной массе, которая расширяется, часть запаса тепла исчезает; становится прохладнее, если не может получить свежего тепла извне. И наоборот, при новом сжатии воздуха воспроизводится то же количество тепла, которое исчезло при расширении. Таким образом, если, например, южные ветры гонят теплый воздух Средиземного моря на север и заставляют его подниматься вдоль большой горной стены Альп, где воздух из-за пониженного давления расширяется примерно на половину своего объема. , тем самым он очень сильно охлаждается — для средней высоты 11000 футов на 18-30 ° C., в зависимости от того, влажный он или сухой — и поэтому большая часть влаги откладывается в виде дождя или снега. Если тот же ветер, проходящий с северной стороны гор, как ветер Фен, достигает долины и равнины, он снова уплотняется и снова нагревается. Таким образом, тот же самый поток воздуха, который теплый на равнинах, как по эту сторону цепи, так и по другую, очень холоден на высоте и может осаждать снег, тогда как на равнине мы находим его невыносимо горячим.

Низкая температура на больших высотах, обусловленная обеими этими причинами, как мы знаем, очень заметна на нижних горных цепях нашего района.В Центральной Европе она составляет около 1 ° C для подъема на 480 футов; зимой он меньше —1 ° на примерно 720 футов подъема. Соответственно, в Альпах разница температур на больших высотах гораздо более значительна, так что на более высоких частях их вершин и склонов снег, выпавший зимой, уже не тает летом. Эта линия, над которой снег покрывает землю в течение всего года, хорошо известна как линия снега ; на северной стороне Альп около 8000 футов в высоту, на южной стороне около 8800 футов.Выше линии снега в солнечные дни может быть очень тепло; безудержное солнечное излучение, усиленное отраженным от снега светом, часто становится совершенно невыносимым, так что турист, ведущий сидячий образ жизни, за исключением ослепления его глаз, которые он должен защищать темными очками или вуалью, обычно получает серьезные солнечные ожоги лица и рук, в результате чего возникает воспалительный отек кожи и большие волдыри на поверхности. Более приятным свидетельством силы солнечного света являются яркие цвета и сильный запах маленьких альпийских цветов, которые цветут в укромных скалистых расселинах среди снежных полей.Несмотря на мощное излучение солнца, температура воздуха над снежными полями поднимается только до 5 °, максимум 8 °; этого, однако, достаточно, чтобы растопить некоторое количество поверхностных слоев снега. Но теплые часы и дни слишком коротки, чтобы справиться с огромными массами снега, выпавшего в более холодное время. Следовательно, высота линии снега зависит не только от температуры горного склона, но и, по существу, от количества ежегодно выпадающего снега. Например, на влажном и теплом южном склоне Гималаев он ниже, чем на гораздо более холодном, но и гораздо более сухом северном склоне той же горы.В соответствии с влажным климатом Западной Европы, количество снегопадов в Альпах очень велико, и поэтому количество и протяженность их ледников сравнительно значительны, так что немногие горы Земли могут сравниться с ними в этом отношении. Насколько нам известно, такое развитие ледникового мира встречается только в Гималаях, чему способствует большая высота; в Гренландии и Северной Норвегии из-за более холодного климата; на нескольких островах в Исландии; а в Новой Зеландии — из-за более обильной влаги.

Таким образом, места над линией снега характеризуются тем, что снег, который в течение года падает на его поверхность, летом не полностью тает, но в некоторой степени остается. Этот снег, оставшийся за одно лето, защищен от дальнейшего воздействия солнечного тепла свежими количествами, которые выпадают на него следующей осенью, зимой и весной. Следующим летом из этого нового снега также остается некоторое количество остатков, и, таким образом, из года в год новые слои снега накапливаются один над другим.В тех местах, где такое скопление снега заканчивается крутым обрывом и тем самым обнажается его внутренняя структура, легко распознаются регулярно стратифицированные годичные слои.

Но ясно, что это накопление слоя за слоем не может продолжаться бесконечно, иначе высота снежного пика будет непрерывно увеличиваться из года в год. Но чем больше накапливается снега, тем круче склоны и тем больший вес давит на нижние и старые слои и пытается их сместить.В конечном итоге должно быть достигнуто состояние, в котором снежные склоны слишком крутые, чтобы на них мог лежать свежий снег, и при котором нагрузка, давящая на нижние слои вниз, настолько велика, что они больше не могут удерживать свое положение по бокам гора. Таким образом, часть снега, который первоначально выпал на более высокие участки горы выше линии снега и был там защищен от таяния, вынужден покинуть свое первоначальное положение и искать новый, который, конечно же, находит только ниже. линия снега на нижних склонах горы, особенно в долинах, где, однако, под воздействием более теплого воздуха, в конечном итоге тает и уносится в виде воды.Спуск снежных масс с их первоначального положения иногда происходит внезапно в виде лавин , , но обычно он очень постепенный в виде ледников.

Таким образом, мы должны различать две отдельные части ледяных полей; то есть, во-первых, снег, который первоначально выпал, называемый в Швейцарии фирн , над линией снега, покрывая склоны пиков, насколько он может держаться за них, и заполняя верхние широкие концы вершин в форме чайника. долины, образующие широко простирающиеся поля снега или фирммер. Во-вторых, ледники, называемые в Тироле firner, , которые как продолжение снежных полей часто простираются на расстояние от 4000 до 5000 футов ниже линии снега, и в которых снова находится рыхлый снег снежных полей. превратился в прозрачный твердый лед. Отсюда и название «ледник », «» от латинского «ледник »; Французский, ледник, ледник.

Внешний вид ледников очень характерно описывается путем сравнения их с ледяными течениями Гете.Обычно они тянутся от снежных полей по глубине долин, заполняя их на всю ширину, а часто и на значительную высоту. Таким образом, они повторяют все изгибы, извилины, сжатия и расширения долины. Часто встречаются два ледника, долины которых соединяются. Затем два ледниковых течения объединяются в одно общее основное течение, заполняя общую для них обоих долину. В некоторых местах эти ледяные течения представляют собой достаточно ровную и когерентную поверхность, но обычно они пересекаются трещинами , , и как по поверхности, так и через трещины возникают бесчисленные мелкие и большие водные потоки, которые уносят воду, образовавшуюся в результате таяния. льда.Объединившись и образуя поток, они прорвались через сводчатые и ясные голубые ледяные врата в нижней части большого ледника.

На поверхности льда находится большое количество каменных блоков и скалистых обломков , , которые в нижней части ледника нагромождены и образуют огромные стены; они называются боковой мореной и конечной мореной ледника . Другие груды скал, центральная морена , тянутся вдоль поверхности ледника в направлении его длины, образуя длинные правильные темные линии.Они всегда начинаются там, где сходятся и сливаются два ледниковых потока. Центральные морены в таких местах следует рассматривать как продолжение объединенных боковых морен двух ледников.

Формирование центральной морены хорошо представлено на приведенном ниже виде ледника Унтераар (РИС. 104). На заднем плане видны два ледниковых течения, выходящие из разных долин; справа от Шрекхорна и слева от Финстераархорна.От места их соединения спускается скальная стена, занимающая середину картины, образующую центральную морену. Слева видны отдельные большие массы скал, покоящиеся на ледяных столбах, которые известны как ледниковые столбы.

Рис. 104

Чтобы еще больше проиллюстрировать эти обстоятельства, я предлагаю вам на ФИГ. 105 карта Mer de Glace в Чамуни, скопированная с карты Forbes.

Мер де Глас размером хорошо известен как самый большой ледник в Швейцарии, хотя по длине он уступает леднику Алеч. Он образован из снежных полей, покрывающих высоты непосредственно к северу от Монблана, некоторые из которых, например, Гранд-Жорасс, Эгюий-Верт (а, фиг. 105 и 106), Эгюий-дю-Жант (б), Эгюий-дю-Миди. (c) и Эгюий дю Дрю (d) находятся всего на 2000–3000 футов ниже этого короля европейских гор.Снежные поля, лежащие на склонах и в котловинах между этими горами, собираются в трех основных течениях: леднике Жеан, леднике Лешо и леднике Талефр, которые, в конечном итоге, объединились, как показано на карте, и образуют Мер-де-Мер-де-Лед. Glace; он тянется ледяным потоком шириной от 2600 до 3000 футов в долину Чамуни, где мощный поток Арвейрон вырывается из своего нижнего конца в точке k и впадает в Арве. Самый низкий обрыв Мер-де-Глас, который виден из долины Чамуни и образует большой ледяной каскад, обычно называют ледником Буа из небольшой деревни, которая находится внизу.

Большинство посетителей Чамуни ступили ногой только на нижнюю часть Мер-де-Глас из гостиницы в Монтанверт, и когда они освободились от головокружения, пересекли ледник в этом месте до самого маленького дом на противоположной стороне, Chapeau (n). Хотя, как показано на карте, таким образом видна и пересекается только сравнительно очень небольшая часть ледника, этот путь показывает достаточно великолепные пейзажи, а также трудности экскурсии по леднику.Более смелые странники маршируют вверх по леднику к Жардену, скалистому утесу, покрытому какой-то растительностью, который разделяет ледниковое течение ледника Талефр на две ветви; и еще смелее они поднимаются еще выше, к перевалу Жеан (11000 футов над уровнем моря) и спускаются по итальянской стороне в долину Аосты.

На поверхности Мер-де-Глас видны четыре скалистые стены, которые мы обозначили как медицинские морены. Первый, ближайший к склону ледника, образуется там, где два рукава ледника Талефр соединяются в нижнем конце сада; второй происходит от соединения рассматриваемого ледника с ледником Лешо; третий — от соединения последнего с ледником Жеан; и четвертый, наконец, от вершины уступа скалы, который тянется от Эгюий дю Жант к каскаду (g) ледника Жеан.

Чтобы дать вам представление об уклоне и падении ледника, я привел на РИС. 106 — его продольный разрез по уровням и замерам Forbes, с видом на правый берег ледника. Буквы обозначают те же объекты, что и на фиг. 105; p — Эгюий-де-Лешо, q Эгюий-де-Лешо, q — Эгюий-де-Лешо, r — Мон-Такуль, f — Коль-дю-Жант, самая низкая точка высокой скальной стены, которая окружает верхний конец снежных полей, питающих Мер-де-Глас.Базовая линия соответствует длине немногим более девяти миль: справа высота над уровнем моря дана в футах. На рисунке очень отчетливо видно, насколько в большинстве мест мало падение ледника. Глубина могла быть сделана лишь приблизительно, поскольку до сих пор ничего определенного в отношении нее не было сделано. Но что это очень глубоко, очевидно из следующих индивидуальных и случайных наблюдений.

Рис.105

В конце вертикальной каменной стены Такуля край ледника Жеан выдвигается вперед, образуя ледяную стену высотой 140 футов. Это дало бы глубину одного из верхних выступов ледника на краю. В середине и после объединения трех ледников глубина должна быть намного больше. Несколько ниже перекрестка Тиндаль и Херст обнаружили мулен, то есть полость, через которую выходят поверхностные ледниковые воды, на глубину 160 футов; Гиды утверждали, что они зондировали аналогичное отверстие на глубине 350 футов и не нашли дна.Судя по обычно глубокой желобообразной форме или похожей на ущелье форме дна долин, которое состоит исключительно из каменных стен, кажется невероятным, что для ширины в 3000 футов средняя глубина должна составлять только 350 футов; более того, судя по тому, как движется лед, под трещинами обязательно должна быть очень толстая связная масса.

Рис.106

Чтобы сделать эти величины более понятными со ссылкой на более знакомые объекты, представьте себе долину Гейдельберга, заполненную льдом, вплоть до Молькенкур. или выше, так что весь город со всеми его шпилями и замком погребен глубоко под ним; Если, кроме того, вы вообразите эту массу льда, постепенно увеличивающуюся в высоту, продолжающуюся от устья долины до Неккаргемюнда, это примерно соответствует нижнему объединенному ледяному течению Мер-де-Глас.Или, вместо Рейна и Наэ в Бингене, предположим, что два ледяных течения объединились, которые заполняют долину Рейна до его верхней границы, насколько мы можем видеть от реки, а затем объединенные течения, простирающиеся вниз за Асманнсхаузен и Бург-Рейнштейн; такое течение также примерно соответствовало бы размеру Мер-де-Глас.

РИС. 107, которая представляет собой вид на великолепный ледник Горнер, видимый снизу, также дает представление о размерах ледяных масс более крупных ледников.

Поверхность большинства ледников грязная из-за множества лежащих на ней гальки и песка, которые собираются вместе, чем больше тает лед под ними и между ними. Лед на поверхности был частично разрушен и стал рассыпчатым. В глубине расселины виден лед такой чистоты и ясности, с которым не может сравниться ничто из того, что нам знакомо на равнинах. По своей чистоте он имеет великолепный синий цвет, как у неба, только с зеленоватым оттенком.Трещины, в которых виден чистый лед внутри, бывают любого размера; вначале они образуют небольшие трещины, в которые с трудом можно вставить нож; постепенно расширяясь до пропастей, в сотни или даже тысячи футов в длину и в двадцать, пятьдесят и целых сто футов в ширину, в то время как некоторые из них неизмеримо глубоки. Их вертикальные темно-синие стены из кристального льда, блестящие от влаги из текущей воды, образуют одно из самых великолепных зрелищ, которые природа может представить нам; но в то же время зрелище, сильно пропитанное волнением опасности, доставляет удовольствие только путешественнику, который чувствует себя совершенно свободным от малейшей склонности к головокружению.Турист должен знать, как с помощью хорошо прибитой обуви и остроконечного альпенштока стоять даже на скользком льду и на краю отвесной пропасти, подножие которой теряется в темноте ночи и в неизвестном месте. глубина. Такие трещины не всегда удается избежать при пересечении ледника; например, в нижней части Мер-де-Глас, где его обычно пересекают путешественники, мы вынуждены путешествовать по некоторой протяженности обрывистых ледяных отмелей, которые иногда составляют всего четыре-шесть футов в ширину, и по обе стороны от него. какая такая голубая бездна.Многие путешественники, без страха ползавшие по крутым каменистым склонам, чувствуют, что у них замирает сердце, и не могут оторвать глаз от зияющей бездны, потому что сначала он должен тщательно выбирать каждый шаг для своих ног. И все же эти голубые пропасти, открытые и обнаженные при дневном свете, ни в коем случае не являются самой страшной опасностью ледника; хотя на самом деле мы так устроены, что опасность, которую мы воспринимаем и которую, следовательно, можем безопасно избежать, пугает нас гораздо больше, чем та, о существовании которой мы знаем, но которая скрыта от наших глаз.То же самое и с ледниковыми пропастями. В нижней части ледника они зевают перед нами, угрожая смертью и разрушением, и заставляют нас, робко собирая все наше присутствие ума, уклоняться от них; таким образом, несчастные случаи случаются редко. В верхней части ледника, напротив, поверхность покрыта снегом; это, когда он падает густо, вскоре переходит через более узкие трещины шириной от четырех до восьми футов и образует мосты, которые полностью скрывают трещину, так что путешественник видит перед собой только красивую ровную снежную поверхность.Если снежные мостики достаточно толстые, они выдержат человека; но это не всегда так, и это места, где так часто теряются люди и даже серна. Этих опасностей можно легко предотвратить, если двое или трое мужчин связаны веревками с интервалом в десять или двенадцать футов. Если затем один из них упадет в расселину, двое других смогут удержать его и снова вытащить.

Рис.107

В некоторых местах трещины могут быть введены, особенно в нижней части ледника. В известных ледниках Гриндельвальд, Розенлау и других местах этому способствуют срезание ступеней и установка деревянных досок. Тогда любой, кто не боится постоянно струящейся воды, может исследовать эти трещины и любоваться чудесно прозрачными и чистыми кристаллическими стенами этих пещер. Красивый синий цвет, который они демонстрируют, — это естественный цвет идеально чистой воды; жидкая вода, как и лед, имеет синий цвет, хотя и в очень малой степени, так что цвет виден только в слоях толщиной от десяти до двенадцати футов.Вода Женевского озера и озера Гарда имеет такой же великолепный цвет, как лед.

Ледники не везде покрыты трещинами; в местах, где лед встречается с препятствием, и посреди сильных ледниковых течений, движение которых равномерно, поверхность идеально согласована.

Фиг.108

РИС.108 представляет собой одну из наиболее ровных частей Мер-де-Глас в Монтанверте, маленький домик которой виден на заднем плане. Ледник Грис, где он составляет высоту перевала из долины Верхней Роны в долину Тоса, можно даже пересечь верхом. Наибольшее нарушение поверхности ледника мы обнаруживаем в тех местах, где он переходит от слегка наклонной части своего ложа к той, где склон более крутой. Лед там разорван во всех направлениях на множество отдельных блоков, которые при таянии обычно превращаются в острые гребни и пирамиды чудесной формы и время от времени с громким грохотом падают в смежные трещины.При взгляде издалека такое место кажется диким замерзшим водопадом и поэтому называется каскадом; такой каскад виден на леднике Талефр в точке 1, другой — на леднике Жеан в точке g. ИНЖИР. 110, а третий образует нижнюю часть Мер-де-Глас. Последний, уже упомянутый на леднике Буа, который поднимается прямо из впадины долины в Шамуни на высоту 1700 футов, высоту Кенигштуля в Гейдельберге, всегда является главным объектом восхищения туристов из Чамуни. .ИНЖИР. 109 представляет собой вид на его фантастически разорванные глыбы льда.

Рис. 109

До сих пор мы сравнивали ледник с течением по его внешней форме и внешнему виду. Это сходство, однако, не только внешнее: лед ледника действительно движется вперед, как вода ручья, только медленнее. То, что это должно быть так, следует из соображений, которыми я пытался объяснить происхождение ледника.Поскольку лед постоянно уменьшается в нижней части за счет таяния, он полностью исчез бы, если бы свежий лед не давил постоянно вперед сверху, что, опять же, образовано снегопадами на вершинах гор.

Но внимательным глазным наблюдением мы можем убедиться, что ледник действительно движется. Ибо жители долин, у которых постоянно перед глазами ледники, часто пересекают их и при этом используют большие каменные глыбы в качестве указательных столбов — обнаруживают это движение по тому факту, что их направляющие столбы постепенно опускаются в долину. курс каждого года.И поскольку годовое смещение нижней половины Мер-де-Глас в Чамуни составляет не менее 400-600 футов, вы легко можете себе представить, что такие смещения в конечном итоге должны наблюдаться, несмотря на медленную скорость, с которой они происходят, и несмотря на хаотическое смешение трещин и скал, которое демонстрирует ледник.

Кроме камней и камней, волочатся другие предметы, случайно упавшие на ледник.В 1788 году знаменитый женевец Соссюр вместе со своим сыном и компанией проводников и носильщиков провел шестнадцать дней на Коль дю Жеан. Спускаясь по скалам у каскада ледника Жеан, они оставили за собой деревянную лестницу. Это было у подножия Эгюий Нуар, где начинается четвертая полоса Мер де Глас; Таким образом, эта линия одновременно отмечает направление, в котором лед движется от этой точки. В 1832 году, то есть через сорок четыре года спустя, фрагменты этой лестницы были найдены Форбсом и другими путешественниками недалеко от стыка трех ледников Мер-де-Глас на той же линии (s, фиг.110), из чего следует, что эти части ледника должны в среднем каждый год опускаться на 375 футов.

В 1827 году Хуги построил хижину на центральной морене ледника Унтераар для проведения наблюдений; точное положение этой хижины было определено им самим, а затем Агассисом, и они обнаружили, что каждый год она сдвигалась вниз. Четырнадцатью годами позже, в 1841 году, он был на 4884 фута ниже, так что каждый год в среднем проходил через 349 футов.Впоследствии Агассис обнаружил, что его собственная хижина, которую он построил на том же леднике, сдвинулась в несколько меньшей степени. Для этих наблюдений потребовалось много времени. Но если движение ледника можно наблюдать с помощью точных измерительных приборов, таких как теодолиты, нет необходимости ждать годами, чтобы наблюдать за движением льда — достаточно одного дня.

Рис. 110

Такие наблюдения в последнее время делали несколько наблюдателей, особенно Forbes и Tyndall.Они показывают, что летом середина Мер-де-Глас проходит двадцать дюймов в день, а к нижнему конечному каскаду движение составляет целых тридцать пять дюймов в день. Зимой скорость примерно вдвое меньше. По краям и в нижних слоях ледника, как в потоке воды, он значительно меньше, чем в центре поверхности.

Верхние истоки Мер-де-Глас также имеют более медленное движение: ледник Жеан — тринадцать дюймов в день, а ледник Лешо — девять с половиной дюймов.В разных ледниках скорость, как правило, очень различна в зависимости от размера, наклона, количества снегопадов и других обстоятельств.

Таким образом, такая огромная масса льда постепенно и плавно перемещается, незаметно для случайного наблюдателя, примерно на дюйм в час — льду Коль дю Жеан понадобится 120 лет, прежде чем он достигнет нижней точки. конец Мер-де-Глас — но он движется вперед с неконтролируемой силой, перед которой любые препятствия, которые человек может противопоставить ему, рассыпаются, как соломинки, и следы которых отчетливо видны даже на гранитных стенах долины.Если после серии дождливых сезонов и обильного снегопада на высотах основание ледника продвигается вперед, то он не только разрушает жилые дома и ломает стволы могучих деревьев, но ледник толкает перед собой валун. стены, которые образуют конечную морену, не испытывая никакого сопротивления. Поистине великолепное зрелище — это движение, такое нежное и непрерывное, и в то же время такое мощное и неотразимое.

Я упомяну здесь, что по тому, как движется ледник, мы можем легко сделать вывод, в каких местах и в каких направлениях будут образовываться трещины.Поскольку все слои ледника не продвигаются с одинаковой скоростью, некоторые точки остаются позади других; например, края по сравнению с серединой. Таким образом, если мы наблюдаем расстояние от данной точки на краю до данной точки середины, обе из которых первоначально находились на одной линии, но последняя впоследствии спускалась более быстро, мы обнаружим, что это расстояние непрерывно увеличивается; и поскольку лед не может расширяться до степени, соответствующей увеличивающемуся расстоянию, он разрушается и образует трещины, как видно по краю ледника на фиг.111, который представляет ледник Горнер в Церматте. Это завело бы меня слишком далеко, если бы я был здесь, чтобы попытаться дать подробное объяснение образования более регулярной системы трещин, как это происходит в определенных частях всех ледников; может быть достаточно упомянуть, что выводы, сделанные из вышеизложенных соображений, полностью подтверждаются наблюдениями.

Я обращаю внимание только на один момент — какие чрезвычайно малые смещения достаточны, чтобы заставить лед образовать сотни трещин.На разрезе Мер-де-Глас (фиг. 112, g, c, h) показаны места, где происходит едва заметное изменение наклона поверхности льда от двух до четырех градусов. Этого достаточно, чтобы образовалась система поперечных трещин на поверхности. Тиндаль более конкретно убеждал и подтверждал наблюдениями и измерениями, что ледяная масса ледника ни в малейшей степени не уступает место растяжению, но под действием натяжения неизменно разрывается на части.

Рис.111

Распределение валунов на поверхности ледника легко объяснимо, если принять во внимание их движение. Эти валуны представляют собой обломки гор, между которыми протекает ледник. Частично отделившись от выветривания камня и частично из-за замерзания воды в его трещинах, они падают, и большей частью на край ледяной массы. Там они либо остаются лежать на поверхности, либо, если они изначально зарывались в снег, в конечном итоге снова появляются в результате таяния поверхностных слоев льда и снега, и они накапливаются особенно в нижней части ледника, где больше льда между ними растаяли.Глыбы, которые постепенно опускаются к нижнему краю ледника, иногда бывают колоссальных размеров. Такие массивные скальные массивы встречаются в боковой и конечной моренах величиной с двухэтажный дом.

Каменные массы движутся по линиям, которые всегда почти параллельны друг другу и продольному направлению ледника. Следовательно, те, которые уже находятся в середине, остаются в середине, а те, которые лежат на краю, остаются на краю.Последние наиболее многочисленны, так как на протяжении всего ледника свежие валуны постоянно падают на край, но не могут упасть на середину. Таким образом, на краю ледяной массы образуются боковые морены, валуны которых частично движутся вместе со льдом, частично скользят по его поверхности, а частично опираются на твердое скальное основание у льда. Но когда два ледниковых потока объединяются, их совпадающие боковые морены приходят к центру объединенного ледяного потока, а затем продвигаются вперед, как центральные морены, параллельные друг другу и берегам потока, и они показывают, насколько нижний конец — граничная линия льда, которая изначально принадлежала тому или иному рукаву ледника.Они очень примечательны тем, что демонстрируют, в каких правильных параллельных полосах соседние части ледяного потока скользят вниз. Взглянув на карту Мер-де-Глас и его четырех центральных морен, это очень отчетливо видно.

Рис.112

На леднике Жеан и его продолжении в Мер-де-Глас камни на поверхности льда попеременно очерчиваются более серые и белые полосы — разновидность годовых колец, которые впервые заметил Forbes.Поскольку в каскаде в g на фиг. 112, летом соскальзывает больше льда, чем зимой, поверхность льда под каскадом образует серию террас, как показано на рисунке, и, как и те, склоны террас, имеющих северный аспект, тают меньше, чем их верхняя плоскость. поверхности, первые имеют более чистый лед, чем вторые. По словам Тиндаля, это вероятное происхождение этих грязных полос. Сначала они в значительной степени пересекают ледник, но, поскольку впоследствии их центр перемещается несколько быстрее, чем концы, они приобретают изогнутую форму, как показано на карте, фиг.110. Таким образом, своей кривизной они показывают наблюдателю, с какой различной скоростью лед движется в разных частях своего курса.

Весьма своеобразную роль играют некоторые камни, которые погружены в нижнюю поверхность ледяной массы и частично упали туда через трещины, а частично могли оторваться от дна льда. Долина. Потому что эти камни постепенно толкаются льдом по основанию долины, и в то же время они прижимаются к этому основанию огромным весом выступающего льда.И камни, погруженные в лед, и скальное основание одинаково твердые, но трением друг о друга они измельчаются в порошок с силой, по сравнению с которой любое человеческое приложение силы бесконечно мало. Продукт этого трения представляет собой чрезвычайно мелкий порошок, который, уносимый водой, появляется ниже в ручье ледника, придавая ему беловатый или желтоватый мутный вид.

Напротив, скалы впадины долины, на которые ледник из года в год оказывает свою шлифовальную силу, полируются, как в огромной полировальной машине.Они остаются округлыми, гладко отполированными массами, на которых иногда появляются царапины от отдельных более твердых камней. Таким образом, мы видим, как они появляются на краю существующих ледников, когда после серии засушливых и жарких сезонов ледники несколько отступили. Но мы находим такие отполированные камни, как остатки гигантских древних ледников, в гораздо большей степени в нижних частях многих альфийских долин. Особенно характерны для долины Аар, вплоть до Мейрингена, скальные стены, отполированные до значительной высоты.Там же мы находим знаменитые полированные пластины, по которым проходит дорога и которые настолько гладкие, что в них приходилось вырубать борозды и возводить рельсы, чтобы люди и животные могли безопасно пересекать их.

Прежнюю огромную протяженность ледников можно определить по древним моренным дамбам и перемещенным каменным глыбам, а также по этим полированным камням. Каменные блоки, унесенные ледником, отличаются от тех, которые стекала вода, своими огромными размерами, идеальным удержанием всех своих краев, которые совсем не закруглены, и, наконец, их отложением на ледник в том же порядке, в котором скалы, частью которых они являются, стоят на горном хребте; в то время как камни, которые уносят потоки воды, полностью перемешаны.

По этим показаниям геологи смогли доказать, что ледники Чамуни, Монте-Роза, Сен-Готард и Бернские Альпы ранее проникали через долину Арве, Рона, Аар и Рейн до более ровной части Швейцарии и Юры, где они отложили свои валуны на высоте более тысячи футов над нынешним уровнем озера Невшатель. Подобные следы древних ледников обнаружены в горах Британских островов и на Скандинавском полуострове.

Дрейфующий лед Арктического моря также является ледниковым; он выталкивается в море ледниками Гренландии, отделяется от остальной части ледника и уплывает прочь. В Швейцарии мы находим подобное образование дрейфующего льда, хотя и в гораздо меньшем масштабе, на небольшом озере Марджелен, в которое проталкивается часть льда большого ледника Алеч. Каменные блоки, лежащие в дрейфующем льду, могут совершать длительные плавания по морю. Огромное количество гранитных блоков, которые разбросаны по равнинам Северной Германии и гранит которых принадлежит скандинавским горам, переносился дрейфующим льдом в то время, когда европейские ледники имели такую огромную протяженность.

К сожалению, я вынужден довольствоваться этими немногими ссылками на древнюю историю ледников, а теперь вернуться к процессам, происходящим в них в настоящее время.

Из приведенных мною фактов следует, что лед ледника течет медленно, как поток очень вязкого вещества, такого, например, как мед, смола или толстая магма из глины. . Масса льда не просто течет по земле, как твердое тело, скользящее по пропасти, но она изгибается и изгибается сама по себе; и хотя даже при этом он движется по основанию долины, все же части, которые соприкасаются со дном и стенками долины, заметно задерживаются мощным трением; середина поверхности ледника, наиболее удаленная как от дна, так и от боковых сторон, движется наиболее быстро.Ренду, савойский священник, и знаменитый натурфилософ Форбс были первыми, кто предположил сходство ледника с течением вязкой субстанции.

Теперь вы, возможно, с удивлением спросите, как возможно, что лед, который является самым хрупким и хрупким из веществ, может течь в леднике как вязкая масса; и, возможно, вы будете склонны рассматривать это как одно из самых диких и невероятных утверждений, которые когда-либо делали философы.Сразу признаю, что сами философы были немало озадачены этими результатами своих исследований. Но факты были, и от них нельзя было избавиться. Как возник этот способ движения, долгое время было довольно загадочно, тем более что многочисленные трещины в ледниках были достаточным показателем хорошо известной хрупкости льда; и, как правильно заметил Тиндаль, это составляло существенное различие между потоком льда и потоком лавы, смолы, меда или потока грязи.

Решение этой странной проблемы было найдено, как это часто случается в естественных науках, в очевидно непонятных исследованиях природы тепла, которые составляют одно из важнейших достижений современной физики. , которые составляют так называемую механическую теорию тепла . Среди множества выводов, касающихся отношений различных природных сил друг к другу, принципы механической теории тепла приводят к определенным выводам относительно зависимости точки замерзания воды от давления, с которым лед и вода выставлены.

Каждый знает, что мы определяем ту фиксированную точку нашей шкалы термометра, которую мы называем точкой замерзания или нуля , помещая термометр в смесь чистой воды и льда. Вода, во всяком случае при контакте со льдом, не может охлаждаться ниже нуля, не превращаясь в лед; лед нельзя нагревать выше точки замерзания без таяния. Лед и вода могут существовать друг в друге только при одной температуре — температуре ноль.

Теперь, если мы попытаемся нагреть такую смесь пламенем под ней, лед тает, но температура смеси никогда не поднимется выше 0 °, пока часть льда остается нерасплавленным. Передаваемое тепло превращает лед в нуле в воду при нуле, но термометр показывает отсутствие повышения температуры. Следовательно, физики говорят, что тепло стало скрытым , и что вода содержит определенное количество скрытого тепла помимо льда при той же температуре.

С другой стороны, когда мы забираем больше тепла из смеси льда и воды, вода постепенно замерзает; но пока есть жидкая вода, температура остается нулевой. Вода при 0 ° отказалась от своего скрытого тепла и превратилась в лед при 0 °.

Итак, ледник — это масса льда, которая повсюду пронизана водой, поэтому его внутренняя температура везде равна температуре замерзания.Более глубокие слои, даже поля névé, появляются на высотах, которые встречаются в нашей альпийской цепи, и имеют везде одинаковую температуру. Ибо, хотя свежевыпавший снег на этих высотах по большей части имеет более низкую температуру, чем температура 0 °, в первые часы теплого солнечного света его поверхность тает и образуется вода, которая просачивается в более глубокие более холодные слои, и там замерзает, пока не будет доведен до температуры точки замерзания. Эта температура остается неизменной.Ибо, хотя солнечные лучи могут растопить поверхность льда, его нельзя поднять выше нуля, и зимний холод так же мало проникает в плохо проводящие массы снега и льда, как и в наши подвалы. Таким образом, внутренняя часть массивов Неве, а также ледника постоянно остается в точке плавления.

Но температура, при которой вода замерзает, может быть изменена сильным давлением. Впервые это было выведено из механической теории тепла Джеймсом Томсоном из Белфаста и почти одновременно Клаузиусом из Цюриха; и, действительно, величина этого изменения может быть правильно предсказана на основе тех же рассуждений.При каждом повышении давления на одну атмосферу точка замерзания понижается на 1–115 часть градуса по Цельсию. Брат первого, сэр У. Томсон, знаменитый физик из Глазго, экспериментально подтвердил этот теоретический вывод, сжав в подходящем сосуде смесь льда и снега. Эта смесь становилась все холоднее и холоднее по мере увеличения давления в той степени, которая требовалась механической теорией.

Теперь, если смесь льда и воды становится холоднее, когда она подвергается повышенному давлению без отвода тепла, это может происходить только за счет того, что некоторое количество свободного тепла становится скрытым; то есть часть льда в смеси должна растаять и превратиться в воду.В этом причина того, почему механическое давление может влиять на точку замерзания. Вы знаете, что лед занимает больше места, чем вода, из которой он образован. Когда вода в закрытых сосудах замерзает, она может лопнуть не только стеклянные сосуды, но даже железные раковины. Следовательно, поскольку в сжатой смеси льда и воды часть льда тает и превращается в воду, объем массы уменьшается, и масса может поддаваться давлению на нее больше, чем она могла бы сделать без такого давления. изменение точки замерзания.В этом случае давление, как это обычно бывает при взаимодействии различных природных сил, способствует возникновению изменения, то есть слияния, которое благоприятно для развития его собственной активности.

В экспериментах сэра У. Томсона вода и лед были заключены в закрытый сосуд, из которого ничто не могло выйти. Несколько иначе обстоит дело, когда, как в случае с ледниками, вода, рассеянная в спрессованном льду, может выходить через трещины. Затем сжимается лед, но не вытекающая вода.Спрессованный лед становится холоднее по мере понижения его температуры замерзания под давлением; но точка замерзания несжатой воды не понижается. Таким образом, в этих условиях мы имеем лед холоднее 0 ° в контакте с водой при 0 °. Следствием этого является то, что вода вокруг сжатого льда постоянно замерзает и образует новый лед, в то время как, с другой стороны, часть сжатого льда тает.

Это происходит, например, когда только два куска льда прижимаются друг к другу.Благодаря воде, которая замерзает на их соприкасающихся поверхностях, они прочно соединяются в один сплошной кусок льда. При сильном давлении и, следовательно, сильном охлаждении это происходит быстро; но даже при слабом давлении это происходит, если дать достаточно времени. Фарадей, открывший это свойство, назвал это регеляцией льда ; объяснение этого явления вызывает много споров; Я подробно изложил вам то, что считаю наиболее удовлетворительным.

Это замораживание двух кусков льда очень легко происходит с помощью кусков любой формы, которые, однако, не должны иметь температуру ниже 0 °, и эксперимент успешнее всего, когда куски льда уже тают.1 Их нужно только сильно прижать друг к другу в течение нескольких минут, чтобы они приклеились. Чем более плоскими будут соприкасающиеся поверхности, тем полнее будет их соединение. Но достаточно очень небольшого давления, если две части оставлены в контакте в течение некоторого времени. 2

Это свойство таяния льда также используется мальчиками при лепке снежков и снеговиков. Хорошо известно, что это удается только тогда, когда снег уже тает, или, во всяком случае, лишь настолько, насколько ниже 0 °, что тепла рук достаточно, чтобы поднять его до этой температуры.Очень холодный снег — это сухой рыхлый порошок, который не слипается.

Процесс, который дети выполняют в небольших масштабах при изготовлении снежков, происходит в ледниках в самых больших масштабах. Более глубокие слои того, что изначально было тонкой рыхлой неве, сжимаются лежащими на них огромными массами, часто достигающими нескольких сотен футов, и под этим давлением они соединяются в более прочную и тесную структуру. Свежевыпавший снег изначально состоял из тонких, микроскопически мелких ледяных спикул, объединенных в тонкие шестилучевые перистые звезды необычайной красоты.Как только верхние слои снежных полей подвергаются воздействию солнечных лучей, часть снега тает; вода проникает в массу и, достигнув нижних слоев еще более холодного снега, снова замерзает; таким образом, фирн сначала становится зернистым и приобретает температуру точки замерзания. Но поскольку вес снежных масс постоянно увеличивается за счет более прочного прилипания его отдельных гранул, он в конечном итоге превращается в плотную и совершенно твердую массу.

Это преобразование снега в лед может быть произведено искусственно с помощью соответствующего давления.

Здесь (РИС. 113) цилиндрический чугунный сосуд A A; основание B B удерживается тремя винтами и может сниматься, чтобы удалить образовавшийся ледяной цилиндр. После того, как сосуд пролежит некоторое время в ледяной воде, чтобы снизить температуру до 0 °, он набивается снегом, а затем цилиндрическая пробка CC, которая входит во внутреннее отверстие, но перемещается в нем с легкое трение, нагнетается с помощью гидравлического пресса.Используемый пресс был таким, что давление, которому подвергался снег, можно было увеличить до пятидесяти атмосфер. Конечно, более рыхлый снег сжимается до очень небольшого объема под таким сильным давлением. Давление снимается, цилиндрическая пробка вынимается, полость снова заполняется снегом, и процесс повторяется до тех пор, пока вся форма не будет заполнена массой льда, которая больше не уступает давлению. Сжатый снег, который я вытаскиваю, как вы увидите, превратился в твердый, угловатый и полупрозрачный ледяной цилиндр; и насколько сильно он выглядит из-за удара, который происходит, когда я бросаю его на землю.Подобно тому, как рыхлый снег в ледниках прижимается к твердому льду, во многих местах готовые куски льда неправильной формы соединяются и образуют чистый и плотный лед. Это особенно примечательно у подножия ледниковых каскадов. Это ледниковые водопады, где верхняя часть ледника заканчивается крутой скалистой стеной, и глыбы льда лавинообразно обрушиваются на край этой стены. Гора раздробленных глыб льда, которые накапливаются, соединяются у подножия каменной стены в компактную плотную массу, которая затем продолжает свой путь вниз, как ледник.Чаще, чем такие каскады, где поток ледника сильно расчленен, встречаются места, где основание долины имеет более крутой уклон, как, например, места в Мер-де-Глас (рис. 105), в g, из Каскад ледника Жеан и в точках i и h большой конечный каскад ледника Буа. Лед здесь расщепляется на тысячи берегов и обрывов, которые затем рекомбинируются к основанию более крутого склона и образуют сплошную массу.

Рис.113

Это также мы можем имитировать в нашей форме для льда. Вместо снега беру кусочки льда неправильной формы, прижимаю их; добавить новые кусочки льда, снова надавить на них и так далее, пока форма не заполнится. Когда масса извлекается, она образует плотный когерентный цилиндр из достаточно чистого льда, который имеет идеально острые края и является точной копией формы.

Этот эксперимент, впервые проведенный Тиндалем, показывает, что кусок льда можно вдавить в любую форму точно так же, как кусок воска.Возможно, можно было подумать, что такой блок под действием внутреннего давления сначала превратился в порошок, настолько мелкий, что он легко проникал в каждую щель формы, а затем этот ледяной порошок, как снег, снова был объединен. замораживанием. Это тем более напрашивается, поскольку во время работы пресса внутри формы слышен постоянный скрип и треск. И все же простой вид цилиндров, спрессованных из глыб льда, показывает нам, что они не были сформированы таким образом; поскольку они обычно более прозрачны, чем лед, который получают из снега, и отдельные более крупные куски льда, которые использовались для их производства, распознаются, хотя они несколько изменены и сплющены.Это наиболее красиво, когда по форме укладываются прозрачные куски льда, а остальное пространство набивается снегом. Затем видно, что цилиндр состоит из чередующихся слоев прозрачного и непрозрачного льда, причем первый возникает из кусков льда, а второй — из снега; но и здесь кусочки льда кажутся спрессованными в плоские диски.

Таким образом, эти наблюдения показывают, что лед не нужно полностью разбивать, чтобы он поместился в предписанную форму, но что он может уступить место без потери своей связности.Это можно еще более полно доказать, и мы сможем лучше понять причину податливости льда, если зажмем лед между двумя плоскими деревянными досками, а не в форму, которую мы не можем видеть.

Сначала я кладу кусок природного льда неправильной формы, взятый с замерзшей поверхности реки, с двумя плоскими концевыми поверхностями между плитами пресса. Если я начинаю работать, блок срывается давлением; каждая образовавшаяся трещина распространяется на всю массу блока; он распадается на кучу более крупных осколков, которые снова трескаются и ломаются, чем больше работает пресс.Если давление ослабить, все эти фрагменты действительно воссоединяются путем замораживания, но вид в целом указывает на то, что форма блока возникла не столько из-за податливости, сколько из-за разрушения, и что отдельные фрагменты полностью изменили свое взаимное положение. .

Совершенно иначе обстоит дело, когда один из цилиндров, которые мы сформировали из снега или льда, помещается между плитами пресса. По мере работы пресса слышен скрип и треск, но он не ломается; постепенно меняет форму, становится ниже и одновременно толще; и только когда его превратили в достаточно плоский круглый диск, он начинает уступать по краям и образовывать трещины, похожие на трещины в небольшом масштабе.ИНЖИР. 114 показывает высоту и диаметр такого цилиндра в исходном состоянии; ИНЖИР. 115 представляет его внешний вид после действия пресса.

Рис. 114

когда один из наших цилиндров проходит через узкое отверстие.С этой точки зрения я помещаю основу на ранее описанную форму, которая имеет коническую перфорацию, внешнее отверстие которой составляет только две трети диаметра цилиндрического отверстия формы. ИНЖИР. 116 дает часть целого. Если теперь я вставлю в этот один из сжатых цилиндров льда и надавлю на пробку a, лед вытолкнется через узкое отверстие в основании. Сначала он выглядит как сплошной цилиндр того же диаметра, что и отверстие; но по мере того, как лед следует в центре быстрее, чем по краям, свободная конечная поверхность цилиндра становится изогнутой, конец утолщается, так что он не может быть возвращен через отверстие, и в конечном итоге он откололся.ИНЖИР. 117 демонстрирует ряд форм, которые возникли таким образом. 3

Здесь также трещины в возникающем ледяном цилиндре обнаруживают удивительное сходство с продольными перекатами, которые разделяют ледниковое течение, проталкивающееся через узкий каменистый проход в более широкую долину.

В описанных нами случаях мы видим изменение формы льда, происходящее на наших глазах, в результате чего глыба льда сохраняет свою целостность, не разбиваясь на отдельные части.Кажется, что хрупкая масса льда поддается, как кусок воска.

Рис.116

Более пристальный осмотр прозрачного цилиндра льда, спрессованного из прозрачных кусков льда, при приложении давления, показывает нам, что занимает место в интерьере; потому что тогда мы видим бесчисленное количество очень мелких излучающих трещин, прорывающихся сквозь него, как мутное облако, которые в основном исчезают, хотя и не полностью, в тот момент, когда давление прекращается.Такой сжатый блок сразу после эксперимента заметно более непрозрачен, чем был до него; и помутнение возникает, что можно легко наблюдать с помощью линзы, из-за большого количества беловатых капиллярных линий, пересекающих внутреннюю часть массы того, что в противном случае ясно. Эти линии являются оптическим выражением очень мелких трещин 4, пронизывающих толщу льда. Следовательно, мы можем заключить, что сжатый блок пересечен большим количеством мелких трещин и трещин, которые делают его гибким; что его частицы становятся немного диспергированными и, следовательно, выводятся из-под давления, и что сразу же после этого большая часть трещин исчезает из-за замерзания их сторон.Только в тех местах, где поверхности мелких смещенных частиц не точно совпадают друг с другом, некоторые трещины остаются открытыми и обнаруживаются как белые линии и поверхности при отражении света.

Рис.117

Эти трещины и ламинат также становятся более заметными, когда лед, который, как я уже упоминал, опускается ниже нуля сразу после того, как давление упало. нанесен — снова нагревается до этой температуры и начинает плавиться.Затем щели заполняются водой, и такой лед состоит из небольшого количества льда от размера головки булавки до размера горошины, которые плотно прижаты друг к другу по краям и выступам и частично сливаются. , а узкие щели между ними заполнены водой. Глыба льда, образованная таким образом из ледяных гранул, плотно прилегает друг к другу; но если оторвать частицы от его углов, то будет видно, что они состоят из этих угловатых гранул. Видно, что ледниковый лед, когда он начинает таять, обладает такой же структурой, за исключением того, что куски, из которых он состоит, в основном больше, чем в искусственном льду, и достигают размера голубиного яйца.

Ледниковый лед и спрессованный лед, таким образом, рассматриваются как вещества гранулированной структуры в отличие от регулярно кристаллизованного льда, который образуется на поверхности неподвижной воды. Здесь мы встречаемся с теми же различиями, что и между известковым шпатом и мрамором, оба из которых состоят из карбоната извести; но в то время как первый представляет собой большие регулярные кристаллы, последний состоит из нерегулярно сгруппированных кристаллических зерен. В известковом лонжероне, а также в кристаллизованном льду трещины, возникающие при вставлении острия ножа, проходят через массу, в то время как в гранулированном льду трещина, которая возникает в одном из тел, где он должен уступать, не обязательно выходит за пределы. гранулы.

Лед, спрессованный из снега и, таким образом, с самого начала состоявший из бесчисленных очень мелких кристаллических игл, особенно пластичен. Однако по внешнему виду он существенно отличается от ледникового льда, так как он очень непрозрачен из-за большого количества воздуха, который изначально был заключен в хлопьевидную массу снега и который остается там в виде мельчайших пузырьков. Прояснить его можно, прижав цилиндр из такого льда между деревянными досками; затем пузырьки воздуха появляются на верхней части цилиндра в виде легкой пены.Если диски снова сломать, поместить в форму и спрессовать в цилиндр, воздух может постепенно удаляться все больше и больше, а лед станет более прозрачным. Несомненно, что в ледниках первоначально беловатая масса névé постепенно превращается в чистый, прозрачный лед ледника.

Наконец, когда полосатые цилиндры льда, образованные из кусочков снега и льда, вдавливаются в диски, они становятся тонкими, так как их прозрачный и непрозрачный слои растягиваются равномерно.

Лед с такой полосатостью встречается во многих ледниках и, несомненно, вызван, как утверждает Тиндаль, снегом, падающим между глыбами льда; эта смесь снега и чистого льда снова сжимается на последующем пути ледника и постепенно растягивается движением массы: процесс, вполне аналогичный искусственному, который мы продемонстрировали.

Таким образом, в глазах естествоиспытателя ледник с его дико нагроможденными ледяными глыбами, его пустынной, каменистой и грязной поверхностью и его угрожающими трещинами превратился в величественный поток, мирный и регулярный поток не имеет параллелей; которое согласно установленным и определенным законам сужается, расширяется, нагромождается или, разбившись и разбиваясь, падает с крутых высот.Если мы проследим его за его окончанием, мы увидим, как его воды, соединяясь в обильный ручей, прорываются через его ледяные ворота и уходят прочь. Такой ручей, выходящий из ледника, кажется достаточно грязным и мутным, так как он уносит, как порошок, камень, на котором ледник растерзан. Мы разочарованы тем, что удивительно красивый и прозрачный лед превратился в такую мутную воду. Но вода ледниковых потоков чиста и прекрасна, как лед, хотя ее красота на данный момент скрыта и невидима.Мы должны искать эти воды после того, как они прошли через озеро, в которое они поместили этот порошкообразный камень. Озера Женевы, Туна, Люцерна, Констанца, Лаго Маджоре, Комо и Лаго ди Гарда питаются главным образом ледниковыми водами; их чистота и удивительно красивый синий или сине-зеленый цвет вызывают восторг у всех путешественников.

Тем не менее, если оставить в стороне красоту этих вод и рассматривать только их полезность, у нас будет еще больше поводов для восхищения.Неприглядная грязь, которую смывают ледниковые потоки, образует очень плодородную почву в тех местах, где она откладывается; поскольку его состояние механического разделения чрезвычайно хорошее, и, кроме того, это совершенно неистощенная целинная почва, богатая минеральной пищей растений. Плодородные слои тонкого суглинка, простирающиеся по всей Рейнской равнине до Бельгии и известные как лесс, представляют собой не что иное, как пыль древних ледников.

Опять же, орошение местности, которое осуществляется за счет снежных полей и ледников в горах, отличается от орошения других мест сравнительно большим количеством влажного воздуха, который проезжает по холодным горным вершинам и оставляет там большую часть воды в виде снега.Во-вторых, летом снег тает быстрее всего, и поэтому источники, текущие со снежных полей, наиболее многочисленны в то время года, когда они наиболее необходимы.

Таким образом, мы в конечном итоге познакомимся с дикими, мертвыми ледяными пустошами с другой точки зрения. Из них текут тысячи ручьев, источников и ручьев, плодоносящая влага, которая позволяет трудолюбивым обитателям Альп добывать сочную растительность и изобилие пищи на склонах диких гор.На сравнительно небольшой поверхности альпийской цепи они образуют могучие реки Рейн, Рона, По, Адидже и Инн, которые на сотни миль образуют широкие, богатые речные долины, простирающиеся через Европу до Немецкого океана, Средиземное, Адриатическое и Черное моря. Вспомним, как великолепно Гете в «Песне Магомета» изобразил течение каменистого источника от его истока за облаками до его соединения с Отцом Океаном. После него было бы самонадеянно описывать такую картину не своими словами: —

	И вместе с ним, торжествуя,
	Имена, которые он дает регионам; городов
	Расти под его ногами.

	Он всегда мчится;
	Шпиль и башня с огненными гребнями
	Мраморные дворцы, твари
	Из своего богатства он оставляет позади.

	Дома из сосны несет Атлас
	На своих гигантских плечах. За его
	Голова, шорох тысячи вымпелов,
	Парящий далеко на ветру,
	Знаки его величества.

	И так он несет своих братьев,
	И его сокровища, и его дети.
	Их первобытному отцу-будущему,
	Вся его грудь трепетала, вздымалась,
	С дикой бурной радостью. Перевод ТЕОДОРА МАРТИНА.

Примечание 1. В лекции ряд маленьких ледяных цилиндров, которые были приготовлены способом, который будет описан ниже, были прижаты своими плоскими концами друг к другу, и таким образом образовался цилиндрический кусок льда. [назад]

Примечание 2. См. дополнения в конце этой лекции. [назад]

Примечание 3. В этом эксперименте более низкая температура сжатого льда иногда распространялась на железную форму настолько далеко, что вода в щели между опорной пластиной и цилиндром замерзала и образовывала тонкий лист. льда, хотя куски льда и железная форма ранее лежали в ледяной воде и не могли быть холоднее 0 °.[назад]

Примечание 4. Эти трещины, вероятно, совершенно пустые и не содержат воздуха, поскольку они также образуются, когда совершенно прозрачные и лишенные воздуха кусочки льда прессуются в форму, предварительно заполненную водой. , и где, следовательно, воздух не мог получить доступ к кусочкам льда. То, что такие безвоздушные трещины возникают во льду ледника, уже было продемонстрировано Тиндалем. Когда сжатый лед впоследствии тает, эти щели заполняются водой, не оставляя воздуха.Однако в этом случае они гораздо менее заметны, и поэтому весь блок становится более четким.

Двигатель Аткинсона, принцип работы, конструкция

Новый двигатель Audi 2.

Необычные двигатели внутреннего сгорания

Заметные факты истории

Цикл Аткинсона

Цикл Аткинсона на практике

Золотниковое газораспределение

Необычные двигатели внутреннего сгорания

История изобретения[править | править код]

Так в чем же разница?

Похожие новости

Дизайн

Цикл Аткинсона

Газораспределение

Универсальная модель будущего

Современные дизели для автомобилей

Статьи по теме:

Переменная степень сжатия

Легендарный Saab

Роторный двигатель с циклом Аткинсона

Транспортные средства с двигателями цикла Аткинсона

Рабочий цикл в четырехтактном двигателе совершается за

Классификация бензиновых двигателей:

Цикл МИЛЛЕРА

Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех основных этапов – тактов:

В четырёхтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом.

Двухтактный двигатель.

Комбинированная силовая установка

Принцип работы гибридных автомобилей

Устройство и принцип работы

Принцип работы гибридного автомобиля

Особенности гибридных автомобилей

Типы гибридных агрегатов

Схемы взаимодействия работы электродвигателя и ДВС

Последовательная схема

Параллельная схема

Последовательно-параллельная схема

Преимущества использования гибридных автомобилей

Недостатки владения гибридными авто

Обслуживание и эксплуатация гибрида

Каковы перспективы HEV и PHEV?

Необычные двигатели внутреннего сгорания

Другой цикл

Бесшумные золотники

Переменная степень сжатия

Не тот гибрид

Принципы Аткинсона остаются неизменными благодаря постоянным изменениям.

Новости пресс-конференции Phoenix: Proof of Water Ice

Как это:

Нелинейная жесткость грунта в штатном проектировании

БЛАГОДАРНОСТИ

Аткинсон выбыл на 4-6 недель для «Блю Джекетс» со сломанной ногой

Основы физической среды: четвертое издание

Дилан Аткинсон | Учреждение инженеров-строителей

Завершите фразу: Я инженер-строитель, но я также …

Что вам больше всего нравится в гражданском строительстве, чего вы не знали, пока не начали работать в этой отрасли?

Над каким строительным проектом (прошлым или настоящим) вы бы хотели работать?

Назовите один миф о гражданском строительстве, который вы хотели бы развенчать.

Лед и ледники. Герман фон Гельмгольц; Перевод Эдмунда Аткинсона. 1909-14. Научные статьи. Гарвардская классика

Добавить комментарий Отменить ответ