Механика (нет в… — Задание 21 ЕГЭ по физике №00017570

Идея

Крышу поднимает не то, что ветер «дует на неё», а разница давлений воздуха снизу и сверху. Главный «виновник» — закон Бернулли: там, где воздух течёт быстрее, его давление меньше. Над скатами крыши ветер вынужден огибать препятствие и разгоняется, а внутри чердака воздух почти неподвижен. Значит, сверху давление падает, а снизу остаётся большим — и крышу выдавливает вверх, как крыло самолёта.

Явление 1. Разгон потока и понижение давления над крышей (закон Бернулли)

Дом стоит поперёк ветра, и набегающий поток обтекает крышу сверху. Чтобы обогнуть конёк, струйки воздуха над скатом сжимаются и движутся быстрее, чем вдали. По закону Бернулли для установившегося потока

$$p+\dfrac{\rho v^{2}}{2}=\text{const},$$

где $\rho$ — плотность воздуха, $v$ — скорость потока. Раз скорость $v$ над крышей выросла, статическое давление $p$ там уменьшилось. Внутри чердака воздух стоит на месте ($v\approx 0$), и давление там практически равно обычному атмосферному — то есть больше, чем снаружи над крышей.

Явление 2. Подъёмная сила

Снизу на крышу давит воздух с большим давлением, сверху — с меньшим. Возникает результирующая сила, направленная вверх:

$$F=(p_{\text{сниз}}-p_{\text{сверх}})\cdot S,$$

где $S$ — площадь крыши. Это та же подъёмная сила, что держит в воздухе самолётное крыло. Когда ветер достаточно силён, $F$ превышает вес крыши, и крепления не выдерживают.

Явление 3. Несимметрия и момент сил (почему сначала поднимается дальний край)

Поток над крышей распределён неравномерно. С наветренной стороны ветер ещё и давит на скат «в лоб» (динамический напор прижимает его), а с подветренной стороны за коньком образуется зона разрежения с особенно низким давлением и завихрениями. Поэтому подъёмная сила сильнее именно у дальнего, подветренного края. Эта сила приложена не по центру, а смещена — относительно линии крепления возникает момент силы. Сначала он отрывает и приподнимает подветренный край (наветренный пока прижат напором). Как только щель открылась, ветер задувает под крышу, давление снизу ещё подрастает, момент резко увеличивается — и крыша поворачивается вокруг наветренной стороны (как вокруг оси-петли), встаёт поперёк ветра и улетает.

Вывод

Сорвать крышу помогают: эффект Бернулли (быстрый поток над крышей → пониженное давление сверху), возникающая из-за разности давлений подъёмная сила и её несимметричное приложение, создающее момент, который сначала приподнимает подветренный край, а затем переворачивает всю крышу.