ID: 00017571
Часто в деревнях, находящихся на открытых местах, на пригорках, во время ураганных ветров с деревянных домов срывает двускатные крыши, особенно с тех, у которых не были плотно закрыты чердачные оконца. Вначале крыша с подветренной стороны, если на ней есть чердак с окном, слегка приподнимается над домом, а потом вся крыша поворачивается, встаёт поперёк ветра и улетает. Перечислите и объясните физические явления и закономерности, которые приводят к подобному результату.
Источник: ФИПИ
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ветер над крышей течёт быстрее, поэтому по закону Бернулли давление над ней меньше, чем под ней. Снизу воздух давит сильнее — возникает подъёмная сила вверх. Через открытое окошко ветер ещё и поддувает под крышу, увеличивая давление снизу. Подъёмная сила приложена несимметрично (сильнее у подветренного края) и создаёт момент: сначала приподнимается подветренный край, затем крыша поворачивается вокруг наветренной стороны, встаёт поперёк ветра и улетает.