Механика (нет в… — Задание 21 ЕГЭ по физике №00017571

Идея

Крышу подбрасывает не лобовой напор ветра, а разница давлений воздуха над крышей и под ней. Главную роль играет закон Бернулли: где воздух течёт быстрее, там давление меньше. Над скатами ветер разгоняется, обтекая препятствие, а в чердаке воздух почти стоит — поэтому сверху давление падает, снизу остаётся большим, и крышу выдавливает вверх, как крыло самолёта. Открытое чердачное окошко это только усиливает.

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

Дом на открытом пригорке хорошо обдувается. Набегающий поток огибает крышу сверху, и над скатом струйки воздуха сжимаются и движутся быстрее, чем вдали. По закону Бернулли

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

Скорость $v$ над крышей выросла — значит, статическое давление $p$ там уменьшилось. В чердаке воздух почти неподвижен, и давление там близко к обычному атмосферному, то есть больше, чем снаружи над крышей.

Явление 2. Роль открытого окошка

Если чердачное оконце открыто, через него внутрь задувает ветер, и давление под крышей становится ещё больше (поток «накачивает» чердак). Поэтому именно у домов с незакрытыми окнами разность давлений между низом и верхом особенно велика — таким крышам достаётся сильнее всего.

Явление 3. Подъёмная сила

Снизу давит воздух с большим давлением, сверху — с меньшим. Результирующая сила направлена вверх:

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

где $S$ — площадь крыши. Это та же подъёмная сила, что удерживает самолёт. Когда $F$ превышает вес крыши и прочность креплений, крыша отрывается.

Явление 4. Несимметрия и момент сил

Поток распределён неравномерно: с наветренной стороны скат вдобавок прижимается лобовым напором, а с подветренной за коньком образуется зона сильного разрежения и завихрений. Поэтому подъёмная сила больше у подветренного края и приложена не по центру — относительно линии крепления возникает момент силы. Сначала он приподнимает подветренный край (наветренный ещё прижат напором). Как только щель открылась, ветер задувает под крышу, давление снизу ещё растёт, момент резко увеличивается — и крыша поворачивается вокруг наветренной стороны, встаёт поперёк ветра и улетает.

Вывод

Срыв крыши обеспечивают: эффект Бернулли (быстрый поток над крышей → пониженное давление сверху), поддув через открытое окошко (рост давления снизу), возникающая из-за разности давлений подъёмная сила и её несимметричное приложение, создающее момент, который сначала приподнимает подветренный край, а затем переворачивает крышу.