Номер 7, страница 253, часть 1 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 6. Механические колебания и волны. Параграф 61. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 7, страница 253.

Условие.

• Землетрясение как волновой процесс.

Решение.

Землетрясение представляет собой процесс высвобождения огромного количества энергии, накопленной в недрах Земли в результате движения тектонических плит. Это высвобождение энергии происходит в виде упругих колебаний, которые распространяются в земной коре и мантии как сейсмические волны. Таким образом, землетрясение по своей физической природе является сложным волновым процессом, где средой распространения волн служат горные породы.

Источник волн и механизм их возникновения

В глубине Земли, в месте, называемом гипоцентром или очагом землетрясения, происходит резкое смещение блоков горных пород вдоль тектонического разлома. Это смещение создает мощный механический импульс, который порождает упругие волны. Эти волны, подобно волнам от брошенного в воду камня, начинают распространяться во все стороны от гипоцентра, перенося энергию на огромные расстояния.

Типы сейсмических волн

Сейсмические волны, генерируемые землетрясением, делятся на два основных типа: объемные и поверхностные.

Объемные волны

Эти волны распространяются через всю толщу Земли от гипоцентра. К ним относятся:

– Продольные волны (P-волны, от англ. Primary – первичные). Это волны сжатия и разрежения, в которых частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны (аналогично звуковым волнам). Они являются самыми быстрыми из всех сейсмических волн ($6-8$ км/с в земной коре) и первыми достигают сейсмических станций. Скорость P-волн ($v_p$) зависит от модуля всестороннего сжатия ($\text{K}$), модуля сдвига ($\mu$) и плотности ($\rho$) среды: $v_p = \sqrt{\frac{K + \frac{4}{3}\mu}{\rho}}$.

– Поперечные волны (S-волны, от англ. Secondary – вторичные). В этих волнах частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. S-волны не могут распространяться в жидких средах (например, во внешнем ядре Земли), так как жидкости не сопротивляются сдвигу. Их скорость ($v_s$) ниже, чем у P-волн (примерно в $1.7$ раза), и они приходят на сейсмостанцию вторыми: $v_s = \sqrt{\frac{\mu}{\rho}}$.

Поверхностные волны

Эти волны возникают, когда объемные волны достигают свободной поверхности Земли, и распространяются вдоль нее от эпицентра. Они имеют большую амплитуду и меньшую скорость по сравнению с объемными волнами, и именно они вызывают наибольшие разрушения.

– Волны Лява (L-волны). Это поперечные горизонтальные волны. Частицы грунта при их прохождении смещаются в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению распространения волны, "стряхивая" фундаменты зданий.

– Волны Рэлея (R-волны). Они вызывают колебания частиц грунта по эллиптическим траекториям в вертикальной плоскости, подобно волнам на поверхности воды. Это приводит как к вертикальным, так и к горизонтальным смещениям поверхности.

Распространение и регистрация волн

Распространяясь от очага, сейсмические волны регистрируются специальными приборами — сейсмографами. Полученная запись колебаний называется сейсмограммой. Поскольку P-волны и S-волны имеют разную скорость, они приходят на сейсмическую станцию в разное время. Анализируя разницу во времени прихода этих волн, сейсмологи могут определить расстояние до эпицентра землетрясения (точки на поверхности Земли непосредственно над гипоцентром).

Волновой характер разрушений

Разрушительная сила землетрясения напрямую связана с характеристиками сейсмических волн. Основной ущерб зданиям и сооружениям наносят поверхностные волны из-за их большой амплитуды и низкой частоты. Частота колебаний также играет ключевую роль. Если частота сейсмической волны совпадает с собственной частотой колебаний здания, возникает явление резонанса, которое многократно усиливает колебания и может привести к полному разрушению конструкции. Таким образом, понимание землетрясения как волнового процесса является основой для сейсмостойкого строительства и оценки сейсмической опасности.

Ответ: Землетрясение является волновым процессом, поскольку внезапное высвобождение энергии в его очаге (гипоцентре) порождает упругие колебания — сейсмические волны. Эти волны, разделяемые на объемные (продольные P-волны и поперечные S-волны) и поверхностные (волны Лява и Рэлея), распространяются в толще и по поверхности Земли, перенося энергию на большие расстояния. Именно эти волны, обладающие такими характеристиками, как скорость, частота и амплитуда, вызывают колебания земной поверхности, которые регистрируются сейсмографами и являются причиной разрушений.