Ученые раскрыли секрет стиральной доски
Британские и канадские ученые открыли тайну образования так называемой «стиральной доски», появление которой на дорогах так досаждает водителям всех стран.
Многим водителям знакома тряска, возникающая при движении автомобиля на заезженной грунтовой дороге. Иногда на грунтовке встречаются строго периодические неровности, которые часто сравнивают со стиральной доской. Многие считают, что дорога становится «рифленой» благодаря тому, что автомобили имеют подвеску, а значит, и собственные частоты, которые влияют на изменение формы поверхности. Это заблуждение опровергли ученые с факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета и их коллеги из университета в Торонто.
Чтобы смоделировать систематическое воздействие машин на грунтовую дорогу, они заставили колесо вращаться по песку, насыпанному слоем в несколько сантиметров по краю крутящегося диска. Опыт показал, что характерные неровности начинают появляться на поверхности песка уже после нескольких оборотов диска. Ученые отметили, что картина изменения поверхности не зависит ни от размера колеса, ни от размера песчинок. Картина не менялась с песчинками размером в 200 микрометров и в 3 мм. Вообще, проявления подобной неустойчивости оказались довольно распространенными. Подобный эффект возникает при долгой эксплуатации рельсов и на заснеженных холмах.
В лаборатории периодические структуры возникали при использовании сухого, мокрого, крупного и мелкого песка, риса, при разных массах колеса и скорости его качения. Последний фактор оказался критичным при образовании «стиральной доски». Оказалось, что песок остается плоским при движении со скоростью, меньшей определенной величины. Для автомобилей эта скорость оказалась порядка 5-8 километров в час.
Для подтверждения полученных выводов была создана компьютерная двухмерная модель, описывающая качение большого цилиндра на поверхности, состоящей из десятков тысяч маленьких, между которыми есть ненулевое трение. В модели за свободно и равномерно вращающимся колесом, как и в эксперименте, оставались ровные, образующие равные промежутки горки.
Исследователи были несколько удивлены тем, что развитие «песчаной неустойчивости» зависит всего от четырех параметров: массы колеса, плотности вещества поверхности, скорости и ускорения свободного падения.