Сооружения из льда

Предки современных эскимосов, населявшие арктическое побережье Северной Америки в районе залива Коронации и Медной реки, еще во второй половине первого тысячелетия нашей эры научились строить хижины из льда. В большинстве это были небольшие хижины «игло» на семью из четырех человек (общественные постройки эскимосов для игр и праздников могли вмещать до 100 человек). Эти хижины имели куполообразную форму. Внутренний диаметр обычной хижины составляет около 3 м при высоте от пола до потолка до 2 м. Куполообразная форма придает хижине повышенную прочность и сводит до минимума тепловые потери через внешнюю поверхность.
Для постройки хижины заготавливается около 60 снежных кирпичей размером 60х60х20 см3. При кладке кирпичи скрепляются водой. Вход в хижину ориентируется под углом 90° к направлению господствующих ветров. При горении жировых светильников температура в хижине поддерживается около 2°C. Если же в хижине развести очаг и стены покрыть шкурами животных или тентом, температура в ней на высоте 1,5 м над полом может быть поднята до 25°C.
В Якутии иногда также создают «ледяные хижины». Для этого деревянные жилые строения щедро обливают на морозе водой. Образующаяся после замерзания воды довольно толстая корка льда способствует лучшему сохранению тепла в помещениях.
Лед представляет собой материал с небольшим пределом упругости. Его упругие свойства обычно проявляются при кратковременных нагрузках. Под действием постоянных нагрузок (даже небольших) происходит пластическая деформация льда, лед медленно «течет». Этим объясняется движение ледников в горах. Разрушение льда происходит при деформации изгиба, начиная примерно с 15 кг/см2, и при сжатии от нагрузок порядка 30 кг/см2 и более.
Во время исторической битвы на Чудском озере в 1242 году Александр Невский, искусно используя природные условия, перевел битву с немецкими псами-рыцарями на участок не очень крепкого льда. Одетые в тяжелые доспехи, тевтонские рыцари в ходе боя создали настолько большую нагрузку на поверхность озера, что стали проваливаться под лед.
В 1740 году русская императрица Анна Иоановна ради забавы решила отпраздновать женитьбу шута на одной из придворных приживалок. Для этого в Петербурге на Неве был выстроен ледяной дом с площадью основания около 80 м2 и высотой до 6 м. Стены и пол дома были выложены ледяными плитами и скреплены водой. Дом получился добротным и красивым, соответствующим церемонии, для которой был предназначен. Весной он растаял.
Как строительный материал лед использовался еще руководителями крестьянских восстаний Болотниковым и Пугачевым в военных целях. Для этого они обливал на морозе стога сена водой. Через некоторое время вода замерзала и превращала каждый стог в солидную преграду.
Конструкции из льда могут возникать и без участия человека. Крупные обломки скал в виде каменных плит, падающих иногда с горных склонов на поверхность ледников, предохраняют находящийся под ними лед от таяния. Так как не защищенный от прямого воздействия солнечных лучей лед тает, каменная плита через некоторое время оказывается стоящей на ледяной ножке на поверхности ледника. По мере того как подтаивает затем овеваемая теплым воздухом ножка, плита падает на поверхность ледника. Далее процесс может повторяться.
Небольшие камни на поверхности ледника, наоборот, довольно сильно нагреваются солнцем, расплавляют под собой лед и опускаются в него на некоторую глубину. В результате в леднике образуются «ледяные стаканчики» с камнями на дне. Подобные явления наблюдаются и в Арктике. Так, через два года после снятия со льдины персонала и оборудования станции СП-2 была обнаружена та же льдина с остатками ранее существовавшего лагеря. Палатки научной станции находились теперь на довольно высоких ледяных столбах. Произошло это потому, что лед вокруг палаток свободно таял под действием лучей солнца, в то время как под палатками таяние было задержано: пол каждой из них был покрыт оленьими шкурами и брезентом.
Немалую роль в истории нашей страны сыграли ледяные переправы. Еще во время войны со шведами по льду Финского и Ботнического заливов переправлялись русские войска. В гражданскую войну ледяная переправа действовала на Азовском море (между Керчью и Таманским полуостровом). В северных районах Советского Союза в прежние времена железнодорожное полотно нередко прокладывалось непосредственно по льду рек и озер (длительно существовавшая переправа через Байкал длиной в 45 км, переправа через Волгу у Саратова в 1928 году и через Северную Двину в Архангельске в 1943...1944 годах.
Во время Великой Отечественной войны по льду Ладожского озера к осажденному Ленинграду проходила автомобильная дорога протяженностью в 27 км известная в истории как «Дорога жизни». Чтобы ледяной покров под влиянием проходившего по нему потока автомашин не пришел в резонансные колебания и не разрушился, принимались специальные меры. Для этого груз автомашин подбирался таким образом, чтобы частота свободных колебаний ледяного покрова отличалась от частоты, с которой воздействовали на ледяной покров подходившие автомашины.
После создания в Арктике и Антарктике первых исследовательских станций посадка самолетов на лед стала обычным явлением (самолеты садятся на лед толщиной не менее1,5...2 м). Наибольшая нагрузка на лед в этом случае; имеет место не при начальном соприкосновении самолета со льдом, а при полной его остановке. При низких температурах посадка на лед более надежна, так как при этом больше и. толщин а льда, и прочность ледяного покрова. Морской лед менее прочен, чем пресноводный, зато более гибок и хорошо выдерживает посадку самолетов.
Когда союзники готовились к высадке в Европе, они всерьёз рассматривали проект постройки флота огромных авианосцев изо льда. До сих пор немало тех, кто считает, что эта затея была чистым безумием, как и тех, кто полагает её оригинальной и разумной технической идеей.

Не вполне ясно, кто первый это придумал, но известно, что идею айсбергов-аэродромов обсуждали в 1942 году премьер Уинстон Черчилль и лорд Луи Маунтбаттен (Louis Mountbatten), глава "Объединённых операций", британской организации отвечающей за развитие наступательного вооружения.

Первоначально речь шла о простом "спиливании" верхушек айсбергов, оснащении их двигателями, системами связи и направлении в театр военных действий с группой самолётов на борту.

Нужно заметить, что столь экстравагантная идея родилась в период, когда промышленность союзников, особенно Великобритании, испытывала острую нехватку ресурсов, в первую очередь – стали. В то время как потребность в судах только росла.

Замёрзшая вода представлялась дешёвым и неограниченным ресурсом. Как бонус – такой авианосец был бы непотопляем, так как целый град бомб и торпед не мог бы разбить крупный айсберг на куски, а лишь оставлял бы на нём выбоины.
Таяние такого "корпуса" не стало бы проблемой в операции, которая могла занять считанные дни или недели, к тому же – немного замедлить его можно было с помощью мощных холодильных установок.

Чуть позднее идея трансформировалась. Британский инженер и учёный Джеффри Пайк (Geoffrey Pyke), сотрудник ведомства Маунтбаттена, предложил собирать боевые корабли из замороженных ледяных блоков, встраивая в конструкцию трубы холодильных установок.

Пайк экспериментировал с любопытным материалом, названным коллегами-учёными в его честь – пикрит (Pykrete), и представлявшим собой замороженную смесь воды и целлюлозы (фактически — мелких опилок). Оказалось, что этот лёд был многократно прочнее обычного, да ещё в несколько раз медленнее таял.

Идею этого материала подсказали британцам некие американские профессора. Но, как бы то ни было, именно Пайк довёл замысел до готового проекта и даже – реального корабля.

Прежде, впрочем, лорд Маунтбаттен принёс (это было в 1943 году) блок пикрита на конференцию союзников в Квебеке. Рядом он поставил такой же по размеру блок обычного льда. Затем достал револьвер и дважды выстрелил.

Обычный ледяной куб разлетелся на мелкие кусочки, а от пикрита пуля рикошетировала (куб остался цел), ранив (к счастью, несильно) одного из присутствующих. После такой наглядной демонстрации американцы согласились участвовать в проекте.
Этот ледяной корабль был построен в Канаде, на озере Patricia Lake в провинции Альберта, причём было лето, что и требовалось для испытаний как технологии строительства, так и самого судна.

Называлось оно "Аввакум" (Habakkuk), в честь пророка из Ветхого Завета, который сказал: "Видят народы и крайне удивляются! Поскольку работа, что делается в ваши дни такова, что вы не поверили бы, если бы кто-то про это сказал".

Корабль с остовом из деревянных балок и наполнением из ледяных блоков (стабилизированных тремя небольшими холодильными установками и сетью трубок) насчитывал 18,3 метра в длину, 9 с лишним метров в ширину и весил 1,1 тысячи тонн. Его создание силами 15 человек заняло два месяца.
Боевые же ледяные авианосцы должны были иметь длину 1,22 километра и ширину 183 метра. Их водоизмещение должно было составлять несколько миллионов тонн.

Специалисты посчитали, что трудо— и денежные затраты делали такие корабли очень даже не дешёвыми, несмотря на кажущуюся бесплатность льда. К тому же, для целлюлозного наполнения блоков пикрита, в случае строительства целого флота подобных авианосцев, о чём военные так увлечённо говорили вначале, потребовалось бы свести едва не все леса Канады.
Когда Habakkuk гордо поплыл по канадскому озеру (а это было в августе 1943 года) ситуация на европейском театре военных действий понемногу стала разворачиваться в пользу союзников. Недолго подумав, от ледяного флота отказались.

Впрочем, проблемы с нехваткой металла ещё не ушли в прошлое окончательно. Не зря же в высадке союзников в Нормандии, среди сонма разных судов, принимали участие и бетонные баржи.

Деревянные же и железные останки Habakkuk в 1970-х годах нашли на дне Patricia Lake аквалангисты.
Многообразно применение льда в народном хозяйстве. Зимой на севере Сибири с помощью льда укрепляют полотно зимних автотранспортных магистралей («зимников»). В этих условиях приходится считаться со скольжением по льду. Причиной скользкости льда является не плавление его под давлением, как думали раньше (для такого плавления был бы необходим быстрый подвод тепла), а плавление под действием тепла, развивающегося при трении. При движении конька по льду или лыжи по снегу в результате трения движущегося тела о поверхность выделяется значительное количество тепла, которое идет на расплавление льда и образование смазки. Натирание лыж специальными мазями улучшает скольжение, поскольку мази отталкивают воду (не смачиваются ею) и тем самым уменьшают сцепление воды и лыж. При сильном понижении температуры воздуха тепла, которое выделяется вследствие трения, будет недостаточно для хорошего скольжения коньков и лыж, хотя давление на них при этом остается неизменным. В процессе таяния морского льда сначала плавится соляная прослойка, а затем лед. Это обусловливает в общем более значительное трение при перемещении по морскому льду в сравнении со льдом пресноводным.
Строители Заполярья иногда используют в качестве строительного материала ледобетон. Так называют лед с включенной в него галькой. Ледобетон настолько прочен, что при работе с ним нередко ломаются даже стальные зубья экскаваторов. Другим вариантом ледобетона является лед с добавлением к нему древесной пульпы («ледопласт»). Материал этот выдерживает давление до 50 кг/см2 и может быть использован в качестве заменителя цемента при постройке плотин на реках Заполярья.
Армирование льда волокнистым материалом повышает предел его текучести и увеличивает прочность. При использовании хлопковых и древесных волокон прочность увеличивается в 2...3 раза, стекловолокно дает увеличение прочности до 8 раз. Древесные опилки и размельченный торф, смоченные водой и нанесенные на поверхность льда, хорошо предохраняют от таяния складские помещения из льда и ледяные причалы. Промораживание водонасыщенных плывунных грунтов укрепляет стенки котлованов на стройках и избавляет от необходимости производить откачку воды, что приводит к удешевлению строительства.
Лед представляет собой прочный, дешевый и весьма распространенный в природе материал. Можно полагать, что при дальнейшем освоении ресурсов Севера нашей страны материал этот найдет еще более широкое применение в строительстве.