Казалось бы всем понятный и рядовой вопрос — почему болото засасывает? На самом деле этот процесс не так прост как кажется, и возможно вы узнаете для себя что то новое.
Во-первых, болото, которое засасывает называется трясинным. Оно способно затягивать только живые объекты. Трясина образуется на основе озер зарастанием зеленым ковром мха и водорослей, не во всех болотах.
Возникновению болота способствуют 2 причины: зарастание водоема или заболачивание суши. Болоту характерна избыточная влажность, постоянное отложение не до конца разложившегося органического вещества — торфа. Способны засасывать объекты не все болота, а только те, в которых образовалась трясина. Трясинное болото образуется на месте озера. Лилии, кувшинки и тростник на поверхности озера разрастаются со временем в плотный ковер на поверхности водоема. Вместе с этим на дне озера разрастаются водоросли. По мере формирования облако водорослей и мха поднимается со дна к поверхности. Из-за отсутствия кислорода начинается гниение, образуются органические отходы, расходящиеся в воде и образующие трясину.
Трясина засасывает живые объекты. Объясняется это её физическими свойствами. Трясина относится к классу бингамовских жидкостей, физически описанных уравнением Бингама-Шведова. При попадании на поверхность объекта с небольшим весом, они ведут себя как твердые тела, поэтому предмет погружаться не будет. Когда объект имеет достаточно большой вес, он тонет.
Есть 2 вида погружения: недопогружение и перепогружение. Поведение тела, попавшего в жидкость, подчиняется соотношением воздействия силы тяжести и выталкивающей силы Архимеда. Тело будет погружаться в трясину до тех пор, пока сила Архимеда не сравняется с его весом. Если выталкивающая сила меньше веса, то произойдет недопогружение объекта, если больше, то — перепогружение.
Почему перепогружению подвергаются только живые объекты? Всё потому, что такие объекты постоянно движутся. А что если замереть? Прекратится ли погружение? Увы, это лишь замедлит погружение, ведь живое тело двигается всегда, поскольку оно дышит. Неживые же объекты остаются неподвижными, поэтому полностью не погружаются. Перепогружение в трясину и есть засасывание болота. Почему же движение тела ускоряет погружение? Любое движение — это приложение силы, увеличивающей силу давления на опору. Оно обусловлено весом объекта и силой тяжести. Резкие движения — причина образования под телом областей пониженного давления. Эти области приведут к увеличению атмосферного давления на живой объект, что еще больше погрузит его.
Поэтому, физическое определение слову «засасывание болота» выглядит так: бингамовская жидкость(трясина), старается перевести попавший в неё живой объект на уровень ниже нормального погружения, при котором сила Архимеда меньше тела. Процесс засасывания необратим. Утонувшее тело даже после прекращения жизнедеятельности не всплывёт.
Кроме теоретического интереса, изучение физических процессов, происходящих на болоте, имеет практическое значение: на болотах гибнет много людей, которые могли бы остаться в живых, если бы они были лучше осведомлены о коварных свойствах трясины. А свойства эти действительно очень коварны. Трясина подобна хищнице. Она по-разному реагирует на попадающие в нее живые и неживые объекты: не трогает мертвое, но засасывает все живое. Это свойство трясины заслуживает особого внимания и будет интересовать нас в первую очередь. Для начала опишем его подробнее.
В первом приближении трясину можно считать жидкостью. Поэтому на попавшие в нее тела должна действовать архимедова выталкивающая сила. Это действительно так, и предметы даже большой плотности, превышающей плотность человеческого тела, в трясине не тонут. Но стоит попасть в нее человеку или другому живому существу — их «засосет», т. е. они целиком погрузятся в трясину, хотя их плотность меньше плотности не тонущих в трясине предметов.
Спрашивается, почему трясина ведет себя столь неожиданным образом? Как она отличает живые объекты от неживых?
Чтобы ответить на эти вопросы, нам придется подробнее остановиться на изучении физических свойств трясины.
О плавании тел в ньютоновских жидкостях
Рассмотрим как плавает тело в ньютоновских жидкостях, например в воде. Поднесем к поверхности воды тело, плотность которого меньше ее плотности, и отпустим его. Через некоторое время установится состояние равновесия: тело будет погружено до такого уровня, при котором архимедова выталкивающая сила в точности равна весу тела. Это состояние равновесия является устойчивым — если на тело подействовать внешней силой и утопить его глубже (или наоборот, приподнять вверх), то после прекращения действия силы оно вернется в прежнее положение. Уровень погружения, при котором архимедова сила равна, весу, мы будем называть уровнем нормального погружении.
Обратите ваше внимание на то, что уровень нормального погружения определяется только соотношением плотностей и не зависит от вязкости жидкости. Если бы болотная трясина была просто ньютоновской жидкостью с большой вязкостью, она была бы не очень опасна. При разумном поведении на ее поверхности можно было бы держаться довольно долго. Вспомните, как ведут себя уставшие пловцы, если они хотят отдохнуть прямо в воде? Они переворачиваются на спину, раскидывают руки и лежат не двигаясь столько, сколько хотят. Поскольку плотность воды меньше плотности трясины, то аналогичным образом можно было бы долго лежать на поверхности трясины, и вязкость этому, особо не мешала бы. Можно было бы не торопясь обдумать ситуацию, принять наилучшее решение, попытаться осторожно грести руками, стараясь попасть к твердому месту (вот тут вязкость была бы помехой), наконец, просто ждать помощи. Выталкивающая сила надежно держала бы человека на поверхности болота: если в результате неосторожного движения человек погрузился бы ниже уровня нормального погружения, архимедова сила все равно вытолкнула бы его обратно.
К сожалению, в действительности все обстоит гораздо хуже. У человека, попавшего в трясину, нет времени ни на размышления, ни, тем более, на ожидание. Трясина является неньютоновской жидкостью и ее бингамовские свойства кардинально меняют ситуацию.
О плавании тел в бингамовскнх жидкостях
Поднесем тело к поверхности бингамовской жидкости и опустим его. Если тело достаточно легкое и оказываемое им давление мало, то может случиться так, что возникающие в жидкости напряжения будут меньше порога текучести и жидкость будет вести себя как твердое тело. То есть предмет может стоять на поверхности жидкости и не погружаться.
С одной стороны, это вроде бы хорошо. Именно благодаря этому свойству вездеходы с малым давлением на грунт легко преодолевают непроходимые для человека болота. Да и человек, с помощью специальных «болотных лыж» или мокроступов может снизить давление на почву и чувствовать себя на болоте в относительной безопасности. Но у этого явления есть и другая сторона. Уже сам факт того, что погружение тела прекращается при наличии неравенства веса и архимедовой силы, настораживает — все происходит не так, как обычно. Представим себе, что вес нашего тела достаточно велик и оно начнет погружаться. До каких пор будет происходить это погружение? Ясно, что не до тех, когда архимедова сила сравняется с весом. При погружении тела архимедова сила будет частично компенсировать вес, давление на почву будет уменьшаться и наступит момент, когда напряжения вновь станут меньше to. При этом бингамовская жидкость перестанет течь и тело остановится раньше, чем архимедова сила станет равна весу. Такое состояние, когда архимедова сила меньше веса, но дальше тело не погружается, называется состоянием недопогружения (см. рис.а).
А.теперь — самое главное. Если в жидкости возможны состояния недопогружения, то по тем же причинам возможны и состояния перепогружения, в которых архимедова сила больше веса, но тело не всплывает (рис. в). Помните, что происходило вньютоновской жидкости? Если в результате каких-либо действий человек опускался ниже уровня нормального погружения, то архимедова сила становилась больше веса и возвращала его обратно. В бингамовской жидкости ничего аналогичного (при достаточно большом т0) не происходит. Погрузившись в результате каких-либо неосторожных действии, вы уже не всплывете обратно, а будете находиться в перепогруженном состоянии. Процесс «утопания» в трясине оказывается необратимым. Теперь можно придать более точный смысл слову «засасывание». Оно означает стремление трясины утопить живые объекты ниже уровня нормального погружения — в перепогруженное состояние.
Нам осталось совсем немного — разобрать, почему болотная трясина засасывает, т. е. увлекает в перепогруженное состояние только живые объекты.
Причины перепогружения
Живые объекты перепогружаются потому, что, попав в трясину, они движутся, т. е. изменяют взаимное расположение частей своего тела. Это ведет к перепогружению по четырем причинам.
Причина первая. Представьте, что у вас в руках тяжелый груз и вы начинаете его поднимать. Чтобы сообщить ему ускорение вверх, вы должны подействовать на него с силой, превосходящей вес этого тела. В соответствии с третьим законом Ньютона сила, действующая на ваши руки со стороны груза, тоже будет больше его веса. Поэтому сила, с которой ваши ноги давят на опору, увеличится. Если вы стоите в трясине, то попытка поднять груз, который вы держите в руках, приведет к тому, что ноги утонут в трясине глубже.
А если груза в руках нет? Принципиальной стороны дела это не меняет — рука имеет массу, и поэтому сама является грузом. Если вы находитесь на уровне нормального погружения, то попытка просто поднять руку приведет к перепогружению. В данном случае перепогружение будет очень незначительно, но оно будет необратимым, и многократные движения могут привести к перепогружению на большую величину.
Причина вторая. Трясина имеет большую липкость и чтобы оторвать, например, руку от поверхности трясины, нужно приложить силу. При этом давление на опору возрастает и будет происходить перепогружение.
Причина третья. Трясина является вязкой средой и оказывает сопротивление движущимся в ней предметам. Если вы попытаетесь вытащить увязшую руку, то при ее движении вы должны будете преодолеть силы вязкости, и давление на опору возрастает. Снова произойдет перепогруженне.
Причина четвертая. Все хорошо знают, что при выдергивании ноги из грязи слышен характерный хлюпающий звук — это атмосферный воздух заполняет оставленный ногой след. Как вы думаете, почему такого звука не слышно при вытаскивании ноги из воды? Ответ достаточно очевиден — вода имеет малую вязкость, течет быстро и успевает заполнять пространство под движущейся вверх ногой. Грязь имеет гораздо большую вязкость и силы, препятствующие перемещению одних слоев относительно других, для нее больше. Поэтому грязь течет медленно и не успевает заполнять пространство под ногой. Там образуется «пустота» — область пониженного давления, не занятая почвой. При вытаскивании ноги из грязи эта область сообщается с атмосферой, в нее врывается воздух и в результате слышен тот самый звук, о котором мы говорили раньше.
Таким образом, наличие хлюпающего звука говорит о том, что при попытке освободить увязшую в грязи ногу приходится преодолевать не только силы, обусловленные липкостью и вязкостью, но и силы, связанные с атмосферным давлением.
При резких движениях человека, попавшего в трясину, под перемещающимися в трясине частями тела будут возникать области пониженного давления, и атмосферное давление будет с большой силой давить на человека вниз, заталкивая его в перепогруженное состояние.
Совместное действие всех четырех причин приводит к следующему эффекту: изменение формы попавшего в трясину тела ведет к его перепогружению.
Теперь многое стало ясно. Неживые тела при попадании в трясину не изменяют своей формы и причины для их перепогружения отсутствуют. Такие тела трясина не засасывает, они, попав в трясину, останутся в состоянии недопогружения. А живые существа, попав в трясину, начинают бороться за свою жизнь, барахтаться, что сразу приводит к их перепогружению. Это и есть «засасывание». Ответ на вопрос, поставленный в самом начале, получен. Однако этого мало. Как же все-таки спастись, как использовать результаты данного рассмотрения для выработки практи ческих рекомендаций тем, кто попал в трясину.
Увы, но в этом направлении удается сделать гораздо меньше, чем хотелось бы. Если не рассматривать фантастических и полуфатастическнх проектов («мгновенно надувающийся воздушный шар, вытаскивающий человека из трясины», «вещество, вызывающее отвердевание болота») и т.д.), то ситуация выглядит безрадостной.
Как же можно выбраться из трясины?
Главное правило, которое нужно знать каждому, — это не совершать никаких резких движений, оказавшись в болоте. Если в болото засасывает медленно, есть все шансы спастись. Во-первых, оказавшись в болотистой местности, нужно обзавестись палкой, желательно, чтобы она была широкой и прочной, то есть настоящий брусок. Эта палка может оказаться вашим спасением, поэтому выбирать её нужно тщательно, а не брать первый попавшийся под руку сучок. Если вы попали в болото, соскользнув с кочки, то вас, скорее всего, быстро засосёт, так как по инерции вы будете продолжать своё движение, помогая тем самым трясине, поэтому падать лучше на живот или спину, так вас будет засасывать гораздо медленнее.
Если вы не слишком быстро уходите под воду и у вас есть палка, то её следует аккуратно положить перед собой, хорошо, если до ближайшей твердыни не больше полуметра, тогда конец палки упадёт на землю и вам будет легче выбраться. Но даже если палка полностью лежит в болоте, вам необходимо вцепиться в неё и постараться перенести свой центр тяжести на эту палку, таким образом у вас получится некое подобие мостика и вы сможете выбраться на сушу или ждать помощи, не рискуя окончательно уйти в ил.
Если у вас под рукой нет абсолютно ничего такого, что могло бы послужить вам рычагом, постарайтесь занять горизонтальное положение. Делайте это как можно аккуратнее, осторожнее перемещая свой центр тяжести с ног на туловище, если вам удастся это сделать, то масса вашего тела значительно уменьшится и вас перестанет затягивать в болото. В таком положении вы можете ждать подмоги. Но, находясь в болоте, ни в коем случае нельзя совершать резких движений, махать руками и пытаться дёргать ногами, от этого вас ещё больше засосёт пучина.
Находящимся в таком положение нельзя даже громко кричать, призывая на помощь, и тем более размахивать свободными конечностями. Если верх вашего туловища ещё на свободе, то нужно снять с себя куртку или плащ и бросить его на поверхность болота, по нему также можно выбраться, он не даст возможности болоту засосать вас.
Если в болото засасывает очень быстро, то помочь может только посторонний человек, он должен бросить верёвку или палку, по которой человек, попавший в болото, смог бы выбраться на твёрдую поверхность. Иногда для того чтобы вытащить одного человека из болота, требуется не менее трёх человек на суше, так как сила засасывания у болота очень велика. Следует также помнить, если человека тянут из болота, то его ни в коем случае нельзя отпускать, чтобы сделать передышку, слегка отпущенный человек моментально уйдёт в трясину, получив дополнительную энергию с суши при отталкивании. Мероприятие спасения должно происходить активно и без задержек. Тогда успех будет обеспечен.
