Номер 9.20, страница 31 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 9. Инертность тел. Первый закон Ньютона. Глава 2. Движение и взаимодействие тел - номер 9.20, страница 31.

9.20* [189] В чём причина разрушений при землетрясении?

Разрушения при землетрясении вызываются комплексом причин, в основе которых лежат фундаментальные физические явления. Основные из них можно разделить на несколько групп.

Сейсмические волны и инерция

Землетрясение представляет собой процесс высвобождения энергии в земной коре, который порождает сейсмические волны. Эти волны, достигая поверхности, вызывают колебания грунта. Здания и сооружения, имеющие жесткую связь с фундаментом, начинают двигаться вместе с землей. Однако, согласно первому закону Ньютона (закону инерции), верхние части здания, обладающие большой массой, стремятся сохранить свое состояние покоя или равномерного движения.

В результате возникает разница в движении между основанием здания и его верхними этажами. Это приводит к возникновению огромных внутренних напряжений и деформирующих сил (в первую очередь, сил сдвига) в несущих конструкциях. Сила, действующая на элементы конструкции, пропорциональна массе здания и ускорению, которое сообщает ему колеблющийся грунт: $F = m \cdot a$. При сильных землетрясениях ускорение грунта может быть очень большим, что создает разрушительные силы. Если эти силы превышают предел прочности материалов, из которых построено здание (бетона, стали, кирпича), конструкция разрушается.

Явление резонанса

Каждое здание, как и любой физический объект, имеет свою собственную (или собственную) частоту колебаний. Эта частота зависит от его высоты, массы, жесткости и конструкции. Сейсмические волны также имеют определенный частотный спектр.

Если частота колебаний грунта совпадает с собственной частотой колебаний здания, возникает явление резонанса. При резонансе энергия от сейсмических волн передается зданию наиболее эффективно. С каждым новым колебанием грунта амплитуда (размах) раскачивания здания резко возрастает. Даже относительно слабое, но продолжительное землетрясение может привести к катастрофическому увеличению амплитуды колебаний, что вызовет напряжения, многократно превышающие расчетные, и приведет к полному разрушению сооружения. Именно поэтому во время землетрясений часто можно наблюдать, как здания одной высоты разрушаются, а более высокие или низкие, находящиеся рядом, остаются стоять.

Вторичные разрушительные факторы

Помимо прямого воздействия колебаний, землетрясения вызывают и другие опасные явления, которые также приводят к разрушениям:

• Разжижение грунтов: При интенсивных вибрациях водонасыщенные рыхлые грунты (например, пески) могут терять свою несущую способность и вести себя подобно жидкости. В результате здания могут накрениться, просесть или полностью "утонуть" в грунте.
• Оползни и обвалы: Колебания земной поверхности часто провоцируют сходы оползней и обвалов в горной или холмистой местности, которые могут погрести под собой целые населенные пункты.
• Цунами: Подводные землетрясения могут вызывать смещение огромных масс воды, порождая гигантские волны — цунами, которые обрушиваются на побережье, вызывая колоссальные разрушения.
• Пожары: В результате землетрясения происходят разрывы газопроводов и повреждения линий электропередач. Это часто становится причиной возникновения многочисленных пожаров, которые быстро распространяются по городу, усугубляя последствия катастрофы.

Ответ: Основной причиной разрушений при землетрясении является инерция массивных частей зданий, которые не успевают за быстрыми колебаниями грунта, что создает критические внутренние напряжения в конструкциях. Этот эффект многократно усиливается при явлении резонанса, когда частота сейсмических волн совпадает с собственной частотой колебаний здания. Дополнительный ущерб наносят вторичные факторы: разжижение грунтов, оползни, цунами и пожары.