МАЙДАН - За вільну людину у вільній країні


Архіви Форумів Майдану

Чому каміння виходить на поверхню?

11/07/2009 | Олександр Габович
Задача
Хто бував в Естонії, пам’ятає охайні гряди каміння, які облямовують сільськогосподарські угіддя. Кожної осені всі естонські чоловіки збирають каміння на полях і складають його на узбіччях доріг або в інших місцях, які сотні років тому визначили їхні предки. У цій важкій праці беруть участь і міські мешканці на засадах толоки. Наступного року земля виштовхує нагору нові каменюки, і розпочинаються чергові щорічні кам’яні жнива.


У чому ж причина такої, на перший погляд, незрозумілої та, з точки зору землероба, шкідливої поведінки звичайнісінького ґрунту, який, врешті-решт, є сумішшю піску, глини та гумусу з водою? Учені знайшли якісну відповідь на це питання, хоча проблема, як і більшість складних проблем справжньої науки, остаточно не розв’язана. Отже, причина полягає в сезонних температурних змінах, які призводять до замерзання верхнього шару ґрунту пізньої осені та його відтавання навесні, а також у тому важливому факті, що вода, всупереч загальній тенденції, серед переважної більшості речовин розширюється при замерзанні.

Нижче ми наведемо ці міркування [1] більш-менш докладно. Але перш за все звернемо увагу на головний «парадокс», притаманний явищу, яке нас зацікавило. На перший погляд, здається, що сезонні зміни типу охолодження-нагрівання чи зволоження-висихання мають впливати на рух каміння відносно ґрунтової товщі протилежним чином під час різних фаз циклу, зрештою, залишаючи каміння на одному місці внаслідок компенсації діючих факторів. Тобто в середньому нібито нічого не повинно відбуватися.

На превеликий жаль, такий широко поширений «філософський» спосіб мислення дуже часто вводить в оману. Відволікаючись від основної теми, згадаємо броунівський рух частинок під невщухаючими ударами молекул оточення. Ідея пояснити загадкове переміщення частинок пилку в рідкому середовищі дією молекул виникла задовго до теорій Ейнштейна, Смолуховського і Ланжевена та дослідів Перрена й Сведберга, які належать уже ХХ століттю, але її відкидали саме через неправильне розуміння імовірнісних процесів [2]. Це полягає в тому, що, незважаючи на рівність імовірностей переміщення частинки у взаємно протилежних напрямках, вона не залишається на місці, а пересувається випадковим чином, в середньому поступово віддаляючись від будь-якої точки, де вона перебувала в якийсь довільно вибраний момент часу. Саме теорія імовірнісних процесів (ланцюги Маркова [3]) і пояснює явища на кшталт броунівського руху. Зазначимо, що аналогічна гра випадкових факторів призводить до того, що, навіть справедлива (рівна імовірність обох альтернативних наслідків елементарного експерименту — підкидання монети) гра в орлянку найбільш імовірно закінчується через деякий, достатньо великий, час розоренням одного з гравців, а не поверненням вмісту їхніх гаманців до попереднього стану. Більш докладно про це можна прочитати в іншому місці [4].

Але в природі та техніці існує безліч систем іншого ґатунку, коли асиметрія процесів, які відбуваються, спричинена наявністю певного асиметричного елементу. В механічному годиннику таку вирішальну роль відіграє храповий механізм, котрий вмикає управляюче колесо — храповик [5]. Завдяки цьому механізмові коливальний рух маятника (або балансу) перетворюється на обертальний рух коліс пристрою та, врешті-решт, стрілок годинника. Щоб виконати поставлену задачу, попри симетричний характер руху маятнику, храпове колесо обертається тільки в одному напрямку, забезпечуючи належну (асиметричну) роботу годинника.

Сучасна фізика, а разом з нею і сучасна молекулярна біологія наразі інтенсивно вивчають системи з подібними храповиками (ratchets), які діють на молекулярному рівні, успішно опираючись нищівному тепловому броунівському (так, тому самому!) руху дрібнесеньких складових цих маленьких приладів, котрі чудово забезпечують життєвість різноманітних організмів. Ці системи, які в асиметричному флуктуючому оточенні спроможні за умов постачання зовнішньої енергії просувати броунівську (маленьку) частинку в певному, потрібному для справи напрямку, так і називаються броунівськими або молекулярними моторами (brownian motors) [6]. Учені сподіваються, що згодом за подібними сценаріями вдасться побудувати молекулярні прилади [7], які, зокрема, замінять нинішні напівпровідникові інтегральні схеми. До речі, останні вже досягли меж своєї мініатюрності та досконалості. Сподіваємось, що ми колись напишемо і про асиметричні процеси в молекулярних (броунівських) моторах. А зараз від маленьких квантових частинок знов повернемось до звичного, хоча й загадкового, світу макроскопічної фізики.

Отже, уявімо собі камінь, частково чи повністю занурений в землю там, де вона промерзає взимку. Коли температура спадає нижче нуля за Цельсієм, просякнутий вологою ґрунт замерзає, починаючи згори. Камінь щільно й міцно примерзає до затверділого ґрунтового шару. Кожний наступний, розташований нижче, тоненький шар замерзлої суміші, замерзаючи, розширюється, бо вода, на відміну від більшості інших речовин, у твердому стані має більший питомий об’єм, ніж у рідкому. В той же час, зменшити об’єм незамерзлого ґрунту знизу він не може, оскільки конденсоване середовище у цьому діапазоні тисків є практично нестисливим. Тому весь замерзлий шар разом зі щойно замерзлою частиною та примерзлим каменем піднімається вгору. Під каменем утворюється порожнина, яка під дією сили тяжіння заповнюється поки що незамерзлою та в’язкою, текучою, сумішшю.

Потім промерзає наступний шар і теж піднімається вгору разом із тим шаром, що замерз раніше. Так триває доти, доки подальше замерзання не припиняється внаслідок поганої теплопровідності ґрунту. Саме завдяки поганій теплопровідності в Естонії, так само, як і в Україні, де вічної мерзлоти немає, водопровідні труби, якщо їх закопати на належну глибину, не промерзають і не тріскаються. Звичайно, процеси промерзання відбуваються безперервно, і ґрунт не поділяється на окремі шари, але вищенаведені спрощені міркування відображають сутність явища.

Таким чином, протягом холодного сезону камінь піднімається догори. Коли ж починає пригрівати весняне сонечко, процес танення починається теж згори, з поверхні землі. Кожний тоненький розталий шар зменшує об’єм і стає текучим. Частина ґрунту, прилегла до каменя з усіх боків, відривається від нього й під дією сили тяжіння розтікається вбік, на звільнене (після танення замерзлої водної компоненти) місце, бо камінь заважає їй текти вниз. Тобто камінь висувається вгору по відношенню до поверхні землі, рік за роком втрачаючи ґрунтову «шапку».

Внаслідок кожного чергового двостадійного термічного циклу камінь випинається назовні. Напрямок процесу визначається не силою тяжіння, яка тільки спонукає до заповнення порожнин, а напрямком температурних змін, які, зрозуміло, викликаються змінами в атмосфері, тобто згори. У цьому й полягає асиметрія, необхідна для того, щоб процеси ставали незворотними.

Підкреслимо, що описані процеси є швидкими на тлі довгих геологічних змін, коли внаслідок вивітрювання відносно м’яких порід на поверхню виходять гранітні або інші кам’яні стовпи [8].

Процеси випинання каменів із землі відбуваються в будь-якому місці Земної кулі, де температура може спадати нижче нуля за Цельсієм. Наприклад, у нашому Житомирському Поліссі, де відвали породи опісля видобутку п’єзокварцу або інших корисних копалин, опиняються на поверхні, поховати кам’яні брили під шаром ґрунту, нашвидкуруч засипавши їх, не вдасться, тобто стандартна рекультивація не допомагає, так що виникає необхідність кам’яних жнив. Щорічні явища замерзання-танення спостерігаються й далі на південь. Траплялися вони й в стародавніх Іудеї та Ізраїлі. А ґрунт там кам’янистий. Звідси, напевно, і виник, ставши згодом метафорою, вислів: «Час збирати каміння, а час його розкидати». Так фізика (власне, природа) вкотре проявляє себе в єдності з народним господарством та економікою, в той час як майбутні можновладці, нікчемні з дитинства, природничі науки ніколи не вивчають. До речі, це стосується не тільки України.

Своєрідне «спливання» каменів є лише одним із проявів самоорганізації матерії внаслідок нерівноважності стану, в якому вона перебуває, та притоку зовнішньої енергії [9]. Іншим відомим прикладом є можливість відібрати велике насіння від дрібного шляхом трясіння посудини із сумішшю (так званий ефект бразильського горіха). Воно там теж спливає, навіть якщо його густина трохи більша за густину дрібного. Подібні явища інтенсивно вивчають [10] і широко використовують у народному господарстві, наприклад при виробництві силосу та в порошковій металургії.

Література
1. Inglis D. R. Particle sorting and stone migration by freezing and thawing.— Science, Volume 148, Issue 3677, Pages 1616– 1617 (1965); Corte A. E. Particle sorting and stone migration by freezing and thawing.— Science, Volume 148, Issue 3677, Pages 1617 (1965); Kaplar C. W. Stone migration by freezing of soil.— Science, Volume 149, Issue 3691, Pages 1520–1521 (1965).
2. Кузнецова О. В. Атомистические концепции строения вещества в XIX веке.— М.: Наука, 1983.
3. Андреев В. Н., Иоффе А. Я. Эти замечательные цепи.— М.: Знание, 1987.
4. Габович О. М., Габович Н. О. Мар’ян Смолуховський — творець теорії броунівського руху та один з фундаторів кінетичної теорії матерії // Фізика (Шкільний світ).— 2002.— 15 (135), травень.
5. Михаль С. Часы. От гномона до атомных часов.— М.: Знание, 1983.
6. Astumian R. D., P. Hönggi Brownian motors.— Physics Today, Volume 55, Issue 11, Pages 33–39 (2002).
7. Рамбиди Н. Г. Нанотехнологии и молекулярные компьютеры.— М.: Физматлит, 2007.
8. Шварцбах М. Великие памятники природы (известные места геологических исследований.— М.: Мир, 1973.
9. Трубецков Д. И., Мчедлова Е. С., Красичков Л. В. Введение в самоорганизацию открытых систем.— М.: Физматлит, 2005.
10. Kudrolli A. Size separation in vibrated granular matter.— Reports on Progress in Physics, Volume 67, Issue 3, Pages 209– 247 (2004).

Габович О.,
доктор фіз.-мат. наук, провідний науковий співробітник Інституту фізики НАН України, м. Київ

Стаття надрукована в журналі "Фізика в школах України", №19(143), жовтень 2009 року.
Від новинаря М.-І.: Це дещо незвичня стаття серед статей Майдану. Але враховуючи падіння інтересу до отримання знань в суспільстві, в тому числі і через відсутність науково-популярних статей та видань, пропонуємо Вам надсилати нам пізнавальні статті українською мовою на науково-популярні теми. Ці статті в майбутньому можуть дати початок нової рубрики Майдану. Сподіваємося на Вашу співпрацю.

Відповіді

  • 2009.11.08 | Георгій

    Я дужe "за"

    > b>Від новинаря М.-І.: Це дещо незвичня стаття серед статей Майдану. Але враховуючи падіння інтересу до отримання знань в суспільстві, в тому числі і через відсутність науково-популярних статей та видань, пропонуємо Вам надсилати нам пізнавальні статті українською мовою на науково-популярні теми. Ці статті в майбутньому можуть дати початок нової рубрики Майдану. Сподіваємося на Вашу співпрацю.
    (ГП) Я дужe "за." Підтримую цю ініціативу. Мeні здається, що окрім полeміки про політику і постійних скарг на тe, я всe погано і як всe будe щe гіршe, на "Майдані" можна також публікувати досвід пeвної роботи, роздуми про прочитанe, і взагалі всe, що стосується ЗНАНь, українською мовою. Ваш покірний слуга нeдавно зробив спробу поділитися вражeннями про дужe цікаву, на мій погляд, книгу Алeна Ф. Чалмeрса під назвою "Що ж воно такe є, "наука?"" (див. гілку з цією назвою на форумі "Філософія, рeлігія та духовність," http://www2.maidan.org.ua/n/rel/1237644595 ).

    Дужe дякую доктору Габовичу і новинарeві "Майдану" за цe цікавe повідомлeння.
    згорнути/розгорнути гілку відповідей
    • 2009.11.08 | Skapirus

      Re: Я дужe "за"

      Георгій пише:
      > (ГП) Я дужe "за." Підтримую цю ініціативу. Мeні здається, що окрім полeміки про політику і постійних скарг на тe, я всe погано і як всe будe щe гіршe, на "Майдані" можна також публікувати досвід пeвної роботи, роздуми про прочитанe, і взагалі всe, що стосується ЗНАНь, українською мовою.
      Пане Георгію, НМД і так, і ні. Малося на увазі, що нам необхідно заповнювати існуючий вакуум науково-популярних знань, тобто інформації про явища, з якими може стикатися кожен, а їх пояснення будуть достатньо зрозумілими і для неспеціалістів. Ця інформація також має трошки бути заточеною під школярів, аби в них будити інтерес до науки. Якщо це будуть лише вузькоспеціальні спогади чи роздуми про прочитане, то навряд чи вони будуть цікавими широкому колу читачів. Я от наприклад зараз відкрив 2 Ваші статті, які в свій час проходили через мене на Майдані: "Дві течії в сучасній педагогіці США: чи потрібні вони Україні?" (http://maidanua.org/static/mai/1191860238.html) та "Про викладання теорії біологічної еволюції" (http://maidanua.org/static/mai/1147200614.html). НМД обидві з них є цікавими для стартової сторінки, але лише остання "Про викладання теорії біологічної еволюції" підходить під означення "науково-популярної", оскільки там йде обговорення відомої всім теорії Дарвіна. Для мене неперевершеним щедевром популяризації наукових знань є книжки Перельмана типу "Занимательная физика", наприкінці 80-х з цією задачею на тодішньому етапі непогано справлявся журнал "Химия и жизнь". Головний критерій - описане явище має бути цікавим широкому колу читачів. Сьогодні наприклад важливим є вчергове розставити крапки над "і" та пояснити людською мовою про потребу розмежувати задачі науки та релігії, оскільки вакуум в цьому питанні сприяє масовому поширенню ідей всіляких чаклунів та галасливих церковників, які роблять на масовому незнанні свій бізнес.


      > Ваш покірний слуга нeдавно зробив спробу поділитися вражeннями про дужe цікаву, на мій погляд, книгу Алeна Ф. Чалмeрса під назвою "Що ж воно такe є, "наука?"" (див. гілку з цією назвою на форумі "Філософія, рeлігія та духовність," http://www2.maidan.org.ua/n/rel/1237644595 ).
      Дякую, але як я бачу, ці враження є незакінченими. Плюс див. вище.
      згорнути/розгорнути гілку відповідей
      • 2009.11.08 | Георгій

        З усіми Вашими тeзами згодeн

  • 2009.11.08 | Хвізик

    чудова стаття

  • 2009.11.08 | igorg

    Класно! Але є запитання. Може автор зможе й відповіді дати?

    А взагалі ідея дуже класна. Робити на Майдані наукові чи науково-популярні публікації та їх обговорення.

    Запитання. Є проблема в описаній гіпотезі. Глибина промерзання ґрунту невелика (метр). А отже, через декілька десятків-сотень років запас каменів у шарі промерзання вичерпається. Однак, я так зрозумів, що цього не відбувається. А отже, камені піднімаються із значно більшої глибини ніж глибина промерзання. Певно щось подібне відбувається і з боєприпасами залишеними глибоко у землі. Особливо на полях, тобто таке відбувається лише у певних ґрунтах.
    Можливо, слід врахувати силу Архімеда. Цікаво чи були спроби моделювання цих процесів.
    згорнути/розгорнути гілку відповідей
    • 2009.11.08 | О. Габович

      Питання слушне

      Річ у тім, що окрім зазначених процесів відбуваються ще й процеси вивітрювання, які можуть бути як швидшими, так і довшими від описаних процесів сегрегації. Саме через подібні процеси на поверхні Землі височіють скелі на кшталт скель Саксонської Швейцарії. Певна річ, що в популярній статті розробляти теорію явища в усій його складності неможливо та недоречно. Мені інтуїтивно здається (я розрахунків не проводив), що вивітрювання має постачати матеріал для сегрегації.

      Сила Архімеда може давати внесок лише, коли каміння оточене рідиною. Мабуть таке трапляється. Та сила Архімеда сама по собі не може бути рушійною силою процесу.

      Я дав посилання на всі ті публікації, які знайшов. Вони не виходять за межі якісного опису спостережень. Навіть цілеспрямованих експериментів не бачив у літературі, не те що моделювання. Так що, напевно, є простір для праці молодих дослідників у цьому напрямку.

      Натомість, теорій сегрегації внаслідок трясіння є декілька. Також є багато розрахунків. Тут можна спертися на попередників.

      Сподіваюся побачити тут інші популярні статті учасників форуму.
      згорнути/розгорнути гілку відповідей
      • 2009.11.08 | igorg

        Дякую. Але вивітрювання не може так швидко

        знімати шари землі. Тим більше що мова йде про родючий ґрунт.
        Мені колись показували доволі цікавий експеримент із сірником у пляшці. До шматка сірника чіпляли вантаж (здається пластилін), так щоб той ледве виглядав із води у пляшці. Потім, стискаючи пальцем повітря (змінюючи тиск) заставляли сірник опускатися й підійматися.
        З іншого боку при проектуванні будівель на плавучих ґрунтах силу Архімеда використовують. Будівля ніби пливе у ґрунті. Колись про це було в журналі "Наука и жизнь". Тож здається що оцю гру у зміну тиску із глибиною треба враховувати. Можливо саме такий механізм й подає камені на поверхню із глибин. Цікаво яких розмірів камені переважно "спливають". Здається там ґрунти переважно піщані. Це теж гіпотеза. А біля поверхні певно що працює й описаний Вами механізм. Цікаво це змоделювати.
        згорнути/розгорнути гілку відповідей
        • 2009.11.08 | О. Габович

          Re: Дякую. Але вивітрювання не може так швидко

          Ваші міркування цікаві. Гранулярні середовища певною мірою можуть нагадувати рідину. Але, взагалі кажучи, треба спитати геологів стосовно фактів та конкретних швидкостей вивітрювання в різних умовах.
        • 2009.11.08 | Skapirus

          Тут треба бути акуратним

          Я думаю, що плавун (суміш піска та води) є неньютоновою рідиною, через те його властивості суттєво відрізняються від просто води (ньютонівська рідина). Про це писав здається Перельман в одній зі своїх пізнавальних задач "Почему болото засасывает?". Детальніше про відмінності дивіться тут: http://www.otlichniki.su/tryasina.html (на жаль, авторство там не вказано, статтю просто присвоїли собі, але я пам"ятаю, що читав це в когось з класиків).
  • 2009.11.08 | starlessblack

    Не гоже тут би було...

    Отакі речі писати,

    Олександр Габович пише:

    > в той час як майбутні
    > можновладці, нікчемні з дитинства, природничі науки ніколи не
    > вивчають.

    тим більше, якщо це має що-небудь спільного з дітьми.
    Давайте, панове, хоч до фізики нічиєї "нікчемності з дитинства" не будемо пхати.
    Встид.

    >
    > Стаття надрукована в журналі "Фізика в школах України", №19(143), жовтень 2009 року.

    Бідні ті школи і та фізика.


Copyleft (C) maidan.org.ua - 2000-2021. Сайт розповсюджується згідно GNU Free Documentation License.
Архів пітримує Громадська організація Інформаційний центр "Майдан Моніторинг". E-mail: news@maidan.org.ua