С приходом весны или в зимнюю оттепель владельцы дачных домиков и гаражей переживают за сохранность крыши и стараются её заблаговременно почистить. Ведь хорошо известно, что если конструкция крыши не самая удачная, а убрать с неё снег до тепла не успеваешь, то это может не просто сломать крышу, но и превратить строение в щепки.
Те, кто следят за статьями на моём канале возможно уже прочитали материал про то, как моё крыльцо сложило, как карточный домик и перемололо в труху. Такой расклад довольно типичен для прихода оттепели. Вес обычной снежной шапки на крыше бытовки вполне может достигать в такую погоду показателей, который лучше подходят для автомобиля. Пара кубов снега легко могут весить почти тонну.
Как обычно в этом странном поведении есть одна интересна физическая особенность. Вот ответьте мне прямо сейчас и, как говорится, не подглядывая. А почему крышу вообще ломает мокрым снегом?
Хм, ну наверное по той причине, что снег стал тяжелее. Хорошо... А почему снег вдруг стал тяжелее? И опять хм - наверное из-за оттепели? Отлично, пусть будет так, но что именно произошло в оттепель?
Весь секрет и вся сложность проблемы в том, что мы тут опять опираемся на интуицию. Вспоминаем, например, что чистить дорожку лопатой куда сложнее, если снег вдруг мокрый и на улице плюсовая температура. Но снег становится тяжелым не потому, что он просто мокрый.
Прежде чем говорить об изменении массы, нужно понять, что именно мы взвешиваем. Снег - это не просто замёрзшая вода. Это пористая дисперсная среда, в которой ледяные кристаллы образуют разветвлённую структуру, а поры заполнены воздухом.
Свежевыпавший снег состоит из дендритных кристаллов - знаменитых снежинок с их шестилучевой симметрией. Они так зацепляются ветвями друг за друга, что между ними остаётся колоссальное количество воздуха. Плотность такого снега ничтожна.
Мокрый снег в оттепель имеет плотность в 5-15 раз больше, чем пушистый свежевыпавший. Один кубический метр пушистого снега весит около 30–50 кг. Тот же кубический метр мокрого снега - 400–500 кг. Это разница в 10 раз, при том что объём визуально может казаться тем же.
При таянии льда вода, образующаяся в порах, никуда не девается - по крайней мере не сразу. Она заполняет пространство между ледяными кристаллами. Пористость снега падает. Плотность растёт.
Когда ледяная кристаллическая решётка снежинки разрушается при таянии, вода занимает меньший объём, чем лёд. Образующаяся жидкость как бы «сжимается», проникая в поры. Один и тот же слой снега на крыше начинает занимать меньше объёма, но содержать больше массы на единицу этого объёма.
Почему вода не стекает сразу с крыши? Почему снег не превращается мгновенно в лужу, едва начнётся оттепель? Ответ - мешают капиллярные силы.
Снег работает как губка и это пористая среда с порами диаметром от единиц до сотен микрон. В такой среде поверхностное натяжение воды удерживает жидкость в порах с силой, обратно пропорциональной радиусу поры.
Но самое главное, что следует из всего этого. По всей обозначенной логике правильно будет думать про равную массу мокрого снега и снега пушистого. Меняется лишь объём и плотность, а вот масса одинаковая. И это действительно так. Мокрый снег на крыше не тяжелее той шапки, которая была в морозный день.
Но почему тогда крыши проваливает в оттепель? Тут есть два момента, которые нужно учитывать.
Если бы крыша была системой изолированной, то снег на ней в оттепель не становился бы тяжелее того, который уже лежал там и в морозные дни. Но система никогда не замкнутая и не изолированная. При оттепели почти всегда идёт дождь или мокрый снег. В воздухе появляется туман. А мы уже отметили, что снег - это крутая губка. Эта вода буквально добавляется сверху и застревает внутри снежного слоя. Капиллярные силы её удерживают, она никуда не стекает.
Масса снега на крыше растёт за счёт новой воды, пришедшей извне. Мокрый снег, который нахватывается влаги из окружения значительно тяжелее. И если на крыше лежит пару кубов мокрого снега, то это будет почти легковушка, которая заехала на крышу вашего несчастного курятника. Но ещё раз - это новая влага и новая масса. Снег стал тяжелее не из-за того, что температура положительная и он изменил фазовое состояние.
Следующий момент - это динамика разрушения. Моё крыльцо сложил не тот снег, который на нём лежал. Его раздавила гора снега, которая скатилась по двускатной крыше и уперлась в крыльцо. По сути это лавина. И там очень интересная и сложная физика.
Когда нижний слой становится мокрым и скользким, верхние пласты начинают медленно съезжать к краю крыши. Там масса суммируется - нагрузка в конкретной точке многократно возрастает. Если так вся масса была перераспределена, то теперь она давит на одну точку. Во многих случаях оно ещё и на скорости едет. А мы уже сказали, что это весь обычной легковушки.
Потому и коллапс кровель происходит именно в оттепель, а не в морозные дни.
Но самое главное, что интуиция вновь вас обманывала. Снег на крыше тяжелеет не потому, что он растаял.
При морозе крыша была почти замкнутая система, поэтому стабильна. При оттепели она превращается в открытую систему, которая активно собирает воду из дождя, конденсата и соседних участков. Именно это и ломает конструкции. Подумайте об этом следующий раз, когда будет ругаться на мокрый снег.
Физика снега - это термодинамика, кристаллография, механика пористых сред и молекулярная физика воды, работающие одновременно. Так что Ответ на простой бытовой вопрос почему снег тяжелее в оттепель открывает дверь в один из самых богатых и практически важных разделов физики конденсированных сред.
⚠️ Пишу большой научпоп курс про загадки материи - добро пожаловать сюда.
Не забывайте ставить лайки статье! Это важно для развития проекта.
Канал проекта в Telegram с эксклюзивными материалами!
