Школьники объяснили образование ухабов на дорогах

Ухабы на дорогах - неизбежное зло уже при скорости движения, чуть большей скорости пешехода. К такому выводу пришли московские школьники, которые исследовали, как образуются ухабы в зависимости от вида грунтовой дороги и скорости перемещения.

Ухабы и кочки - неотъемлемый атрибут российских дорог, будь они покрыты гравием, песком, камнями, или их комбинациями. В результате - выворачивающая душу тряска и разбитая подвеска автомобиля.

Ученики московской школы "Марина" решили выяснить, на каких дорогах ухабы образуются быстрее, от чего зависит их размер, как на их формирование влияет скорость и масса автомобиля. Для этого они провели эксперименты на разных типах покрытия дорог: из песка, гравия, глины, чернозема, их смеси с разной долей гравия, и смеси песка с большими и мелкими камнями. По этим дорогам они пускали игрушечную радиоуправляемую машину и выяснили, что колдобины образуются на любом грунте. Ухабы получаются через 20 минут непрерывного движения, их глубина не превышает 5 см, а расстояние между соседними впадинами - около 20 см. При увеличении массы машины (за счет нагружаемых кирпичей) глубина колдобин увеличивалась. Тем не менее, наиболее устойчивым покрытием оказалась смесь крупного гравия (4-5 см) с песком в пропорции 1:5.

Для выяснения механизма образования колдобин школьники провели эксперименты в лабораторных условиях. Для этого они создали устройство, раскручивающее плоскую тарелку с разной скоростью. На краю крутящейся тарелки размещали колесо. Тарелка поочередно наполнялась песком, гравием, рисом, гречкой, солью, сахаром. Использование крупы, соли и сахара позволило исследователям получить соотношение размера экспериментального колеса к размеру частиц модельного грунта, близкое к реальному. В ходе экспериментов меняли массу колеса и скорость раскручивающего устройства (от 1 до 30 м/с).

Лабораторные испытания показали, что волны высотой 2 см с шагом 5-6 см (аналог кочек на реальной дороге) появляются на всех типах "грунта", примерно через одно и то же время - через 5-6 минут. При увеличении массы колеса время образования волн уменьшалось до 2-3 минут. Исследователи определили критическую скорость, ниже которой "кочки" не образовывались - она оказалась совсем небольшой, всего 1,7 м/c (6,12 км/час).

Механизм образования кочек (волн на песке) в ходе исследования раскрыть не удалось, но авторы высказали предположение, что он сходен с механизмом образования дюн и барханов в пустынях.

Вывод, сделанный по результатам работы, неутешителен: на рыхлом грунте кочки будут образовываться всегда, если скорость движения превышает 6 км/ч. Однако юные исследователи решили извлечь из езды по неровной дороге пользу. Использовав явление электромагнитной индукции, они предложили устройство, в котором механическая энергия колебаний рессор преобразуется в электричество. Простейшая модель устройства представляет собой магнит на пружинке, колеблющийся от движения по ухабам. Движения магнита внутри катушки порождают электрическое поле. По такому принципу устроен, например, фонарик, который подзаряжается от встряхивания.

Работа московских школьников была представлена на заключительном туре конкурса исследовательских работ учащихся образовательных учреждений "Ярмарка идей на Юго-Западе", прошедшего в Президиуме РАН в Москве.