21. Молекулярная физика - электродинамика: качественная задача: #215766

$1)$ Если сильный ветер проникает в чердачное помещение (например, через открытое чердачное окно), то давление воздуха под крышей в чердаке может повышаться по сравнению с давлением воздуха, обтекающего крышу сверху. В результате появляется избыточное давление под кровлей, действующее вверх на ее нижнюю поверхность.

$2)$ Кровля обычно сравнительно легкая; при увеличении подъемной силы, обусловленной избыточным давлением под крышей, крыша может оторваться от креплений. Рост подъемной силы особенно вероятен, если крыша имеет большую парусность и малую массу на единицу площади.

$3)$ Быстрый поток ветра обладает значительным импульсом (количеством движения). Когда поток под крышу входит и затем частично тормозится (рассеивается, меняет направление), по третьему закону Ньютона на поток действует реакция со стороны поверхности крыши, равная по модулю и противоположная по направлению изменению импульса потока. Эта реакция со стороны воздуха на крышу имеет вертикальную составляющую, способствующую подъему крыши. Кроме того, при обтекании крыши сверху давление уменьшается, а под крышей — увеличивается, то есть создается дополнительная разность давлений, поддерживающая подъем.

$4)$ Можно описать явление и с точки зрения уравнения Бернулли для неплотного (несжимаемого приближенно) потока воздуха: при увеличении скорости $v$ потока давление динамическое возрастает, и при переходе между участками со скоростями $v_1$ и $v_2$ выполняется соотношение $p+\tfrac{1}{2}\rho v^2=\text{const}.$ В приближении это означает, что в местах, где поток ускоряется (на кромке крыши сверху), статическое давление уменьшается, а в зонах, где поток замедляется (под крышей), статическое давление повышается, что дает подъемную силу. $$p+\tfrac{1}{2}\rho v^2=\text{const}$$

$5)$ Когда под действием вышеописанных сил усиливается подъемная нагрузка на крышу, отдельные точки крепления (гвозди, скобы) начинают испытывать увеличенные усилия. Если прочность креплений и конструктивная жесткость крыши не обеспечивают противодействия этим усилиям, точки крепления вырываются, и оставшиеся крепления испытывают еще большую нагрузку; в результате кровля полностью отрывается и уносится ветром.

Ответ. Перечисленные физические явления: изменение статического давления при обтекании (уравнение Бернулли), изменение импульса воздушного потока и реакция на крышу (закон сохранения импульса, третий закон Ньютона), а также механическое разрушение креплений при превышении прочности