Hostname: page-component-74656f9884-2dmjx Total loading time: 0 Render date: 2026-11-10T19:50:43.403Z Has data issue: false hasContentIssue false

Propagation of a Plastic Wave in Snow

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Gorow Wakahama
Affiliation:
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Sapporo, Japan o6o
Atsushi Sato
Affiliation:
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Sapporo, Japan o6o
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

When snow is pushed very fast by a moving body a plastic wave is generated at the head of the body. If the velocity of the moving body becomes close to that of the plastic wave, the snow may exert a great resistive force against the body as predicted by Yosida. It is, therefore, very important to study the dynamic behaviour of snow at a high rate of deformation, such as takes place when a snow plough is used on the highway, a train runs on a railroad covered with snow, or an avalanche occurs. Hence, this study is concerned with the safety and maintenance of winter traffic and transportation, and also with the generation and propagation of an avalanche. In order to clarify the detailed processes of the deformation of snow at high rates, laboratory experiments were made by compressing snow at high speed. The propagation of a plastic wave through snow was observed by using a high-speed camera and a pressure-detecting device. Analyses of the data obtained gave the velocity of the plastic wave for various kinds of snow whose density ranged from 0.17 to 0.46 Mg m-3 and free-water content from o to 17%, whereby studies were made into the dependences on the density and free-water content of the velocity of the plastic wave. When the impact velocity was 4.3 ± 0.2 m s-1, the wave velocity ranged from 5 m s-1 for a new snow to 12 m s-1 for a fine-grained, well-settled snow. The plastic-wave velocity in wet snow was, in general, smaller than that in dry snow of the same density. Changes in density and structure of snow associated with the passage of a plastic wave were studied and discussed. The pressure at the wave front was measured; values of 0.1-0.3 bar were obtained, these are of the same order as the value estimated from theoretical formulae. The plastic-wave velocity was also observed for a confined snow, which showed a larger velocity and plastic strain than an unconfined snow.

Résumé

Résumé

Propagation des ondes plastiques dans la neige. Lorsque la neige est poussée a grande vitesse par un corps en mouvement une onde plastique est produite en avant de ce corps. Si la vitesse du corps en mouvement devient voisine de celle de l’onde plastique, la neige pent exercer une forte résistance contre le corps comme l’avait prévu Yosida. II est done trés important d’étudier le comportement dynamique de la neige à une grande vitesse de deformation qui se produit lorsqu’on utilise une étrave chasse-neige sur une route, lorsqu’un train parcourt une vole ferrée recouverte de neige, ou dans une avalanche. Done cette étude intéresse la sécurité et is maintenance du trafic hivernal et des transports, ainsi que la production et la propagation d’une avalanche. Pour clarifier les détails des processus des déformations à grande vitesse dam la neige, des experiences ont été faites sur la compression à grande vitesse de la neige. La propagation d’une onde plastique à travers la neige a été observée à l’aide d’une caméra à grande vitesse et d’un dispositif de mesure de pression. Les analyses des résultats obtenus ont donné des vitesses de l’onde plastique dans des neiges de densité allant de 0,17 Mg in-3 à 0,46 Mg m-3 avec des teneurs en eau libre de o à 17% les vitesses de l’onde plastique allant de 5 m s-1 pour une neige fraîche à 12 m s-1 pour une neige à grains fins bien tassée. La vitesse de l’onde plastique dans la neige humide était en général plus petite que dans la neige séche de même densité. On a étudié et discuté les changements intervenus dans la densité et la structure de la neige à la suite du passage d’une onde plastique. La pression du fond de l’onde a été mesurée; on a obtenu des valeurs de 0,1 à 0,3 bar qui sont du même ordre de grandeur que celics estimées d’aprés les formules théoriques. La vitesse de l’onde plastique a égalgement été observée pour une neige dans un couloir qui a montré une vitesse et une contrainte plus forte que dans une neige de versant.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Fortpflanzung plastischer Wellen in Schnee. Wenn Schnee von einem sehr schnell bewegten Körper gestossen wird, wird eine plastische Welle am Vorderende des Körpers erzeugt. Liegt die Geschwindigkeit des bewegten Körpers nahe bei der der plastischen Welle, so kann der Schnee gemäss den Überlegungen von Yosida dem Körper grossen Widerstand entgegensetzen. Es ist deshalb sehr wichtig, das dynamische Verhalten von Schnee bei hohen Verformungsraten zu studieren, die dann vorkommen, wenn ein Schneepflug auf einer Strasse eingesetzt wird, ein Zug über ein verschneites Geleise fährt oder eine Lawine abgeht. Die vorliegende Untersuchung gilt deshalb der Sicherheit und der Aufrechterhaltung des Verkehrs und Transports im Winter, aber auch der Auslösung und den Wirkungen einer Lawine. Zur detailierten Klärung der Vorgänge bei sehr schneller Deformation von Schnee wurden Laborversuche mit sehr schneller Kompression von Schnee angestellt. Die Fortpflanzung einer plastischen Welle durch den Schnee wurde mit einer schnellaufenden Kamera und einem Druckmessgerät beobachtet. Die Analyse der Daten lieferte die Geschwindigkeit der plastischen Welle far verschiedcne Schneearten, deren Dichte zwischen 0,17 und 0,46 Mg m-3 und deren Wassergehalt zwischen o und 17% lag; damit waren Studien fiber die Abhängigkeit der Wellengeschwindigkeit von der Dichte und dem Gehalt an freiem Wasser verbunden. Bei einer Aufprallgeschwindigkeit von 4,3 ± 0,2 m s-1 lag die Wellengeschwindigkeit zwischen 5 m 5-3 für Neuschnee und 12 ms-1 für feinkörnigen, gut gesetzten Schnee. Die Geschwindigkeit der plastischen Welle war für nassen Schnee im allgemeinen kleiner als fur trockenen Schnee derselben Dichte. Dichte- und Strukturschwankungen des Schnees, die mit dem Durchgang einer plastischen Welle verknüpft waren, wurden untersucht und diskutiert. Der Druck an der Wellenfront wurde gemessen; es ergab sich ein Wert von 0,1 bis 0,3 bar, dessen Grössenordnung der Abschätzung nach theoretischen Formeln entspricht. Die Geschwindigkeit der plastischen Welle wurde auch in eingegrenzten Schneemassen gemessen; Geschwindigkeit und plastische Spannung waren dabei höher als beim Fehlen einer Eingrenzung.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1977
Figure 0

Fig. 1. Propagation of plastic wave in snow. These photographs were selected from frames of 16 mm film at an interval of 5 ms. Dark lines were marked every 20 mm on the snow block.

Figure 1

Fig. 2. An example of the distance− time curve of a plastic wave shown by the thick solid line. The gradients of the thin curves and dashed line respectively give the particle velocity and the impact velocity.

Figure 2

Fig. 3. Plastic-wave velocity plotted against snow density. Circles denote unconfined snow data; triangles, confined snow. Open and solid symbols respectively for dry and wet snow. The dashed line indicates the relation between plastic-wave velocity and snow density when the density of closest packing of snow particles is taken as 0.6 Mg m-3. Small dots enclosed by a dashed line are those derived from the data of Napadensky.

Figure 3

Fig. 4. Plastic-wave velocity plotted against free-water content of snow.

Figure 4

Fig. 5. Thin slice cut from a snow block after the impact. Heavily compacted portion “A" and unchanged portion “B”.b and c. Vertical thin sections cut from the boundary between “A" and “B”, and from “B”, respectively.

Figure 5

Fig. 6. Thick solid lines give the distance− time curves for confined snow. Thin solid lines give plastic strain for different levels. a, dry snow (po = 0.37 Mg m-3); b, wet snow (po = 0.46 Mg m-3).