Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Похожие колебания могут возбудиться в полу офиса, школы и танцзала, но главным образом — от вертикальных ударов. Это особенно заметно, когда танцующие прыгают в унисон. Колебания могут возникнуть даже в полу концертного зала, если слушатели отбивают ритм ногами. Эти удары обычно имеют частоту 1–3 Гц. Если эта частота приблизится к нижней собственной частоте пола танцевального или концертного зала, они войдут в резонанс, и тогда амплитуда колебаний сидящих в креслах слушателей и ускорение, возникающее при их перемещении, станут не только заметными, но и пугающими. Чтобы не допустить резонанса, который может привести к поломкам или даже разрушениям помещений, строительные регламенты обычно устанавливают нижнюю резонансную частоту помещений не менее 5 Гц.

Иногда при толчках во время землетрясений стабильные на первый взгляд конструкции падали, в то время как казавшиеся неустойчивыми структуры, поддерживаемые колоннами, продолжали стоять. Даже такие постройки, как водонапорные резервуары, имеющие форму шара, балансирующего на палочке, переживали толчки, а цилиндрические цистерны разрушались. Как объяснить устойчивость на первый взгляд неустойчивых структур? Этот вопрос крайне важен при проектировании современных сооружений в сейсмически активных районах. Он очень важен и для сохранения там памятников древности, например статуй и колонн.

В скалистой местности, где под действием погодных условий обнажились глубинные горные породы, по ним можно определить, случались ли в этой местности землетрясения. Например, в некоторых районах Калифорнии даже поблизости от известного разлома Сан-Андреас (в радиусе 30 км от него) по скальным породам незаметно, чтобы там происходили сколько-нибудь заметные землетрясения по крайней мере в течение последних нескольких тысяч лет. Какие простые признаки отсутствия сейсмической активности можно разглядеть на камнях?

ОТВЕТ •Землетрясение (единичный толчок, серия толчков или продолжительные колебания) может вызвать раскачивание незакрепленных сооружений на их опорах (рис. 1.43а). Если проекция центра масс сооружения выйдет за край опоры, оно опрокинется. Если мы можем реально наклонить объект, то конструкция тем неустойчивее, чем она выше (представьте, что вы хотите свалить стоящую на меньшей грани костяшку домино, щелкнув по верхней ее части). Однако эффекты, вызванные подземными толчками, носят совершенно иной характер, поскольку толчок приходится на нижнюю часть конструкции. В этом случае устойчивость конструкции зависит от расстояния R от центра масс до ребра основания (рис. 1.43б) — в большинстве случаев чем больше R , тем больше устойчивость, поскольку увеличивается момент инерции. Хотя воздействие землетрясения зависит от огромного числа факторов, когда две колонны раскачиваются под действием подземных толчков, высокая колонна с большим R может оказаться более устойчивой, чем низкая с маленьким R .

Рис. 1.43 / Задача 1.124.а) Блочная конструкция, раскачиваемая подземными толчками. б) Вероятность опрокинуться зависит от расстояния R. в) Чемодан на двух колесиках может раскачаться, а потом и опрокинуться.

Вы можете наблюдать похожее раскачивание, когда везете чемодан на двух колесиках (рис. 1.44в). Если вы идете медленно и тянете чемодан за ручку плавно, он не падает (стоит вертикально). Если же вы бежите с чемоданом и периодически дергаете его за ручку, он сильно раскачивается влево-вправо и может опрокинуться, даже если вы постараетесь остановить падение, вывернув ручку в противоположном направлении.

В некоторых местностях воздействие погоды на скалы привело к тому, что отдельные камни оказались стоящими на узком основании. Такие висячие камни (их так и называют) обычно можно опрокинуть рукой, и они свалятся при толчках во время землетрясения. Таким образом, то, что эти камни не упали в течение нескольких тысячелетий, означает, что за это время существенной сейсмической активности в этом месте не было.

В августе 2000 года во время проведения учений российского Северного флота в Баренцевом море затонула ядерная подводная лодка «Курск». В тот день приборы сейсмологических станций Cеверного полушария зарегистрировали необычные сейсмические волны, исходившие из района Баренцева моря. Проанализировав данные, сейсмологи установили причину, по которой подлодка затонула, и глубину, на которой в тот момент она находилась. Как можно с помощью измерений, проводимых далеко от места событий, определить глубину, на которой произошел взрыв?

ОТВЕТ •Сейсмические волны распространяются либо через горные породы, либо вдоль поверхности земли. Сейсмические станции устанавливаются в основном для того, чтобы регистрировать сейсмические волны, возникающие во время землетрясений, но не только. Они записывают еще и сейсмические волны, испускаемые при любом событии, когда много энергии высвобождается где-то вблизи поверхности земли, например при взрывах. Когда сейсмическая волна проходит через станцию, она заставляет колебаться перо самописца, и оно рисует кривую. Кривая, записавшая трагические события с «Курском», показывала серию колебаний малой амплитуды и начавшиеся через 134 с колебания с намного большей амплитудой.

По виду кривой специалисты заключили, что первые колебания, возможно, были вызваны взрывом на борту. Этот взрыв, вероятно, разрушил корпус, подлодка затонула, на ней начался пожар. Позже, уже после того, как подлодка легла на грунт, на борту одновременно взорвались несколько (возможно, пять) мощных ракет, от чего пошли гораздо более мощные сейсмические волны. Они достигли сейсмических станций в виде импульсов, разделенных временн ы ми интервалами примерно в 0,11 с.

Зная эти временн ы е интервалы, сейсмологи смогли определить глубину, на которой затонула подлодка. Более сильные взрывы произошли, когда лодка уже лежала на дне моря. От них волны распространились внутрь земли и наверх через толщу воды. Последние отразились несколько раз от поверхности воды и от морского дна. Каждый раз, когда отраженный импульс достигал дна, он порождал еще один импульс, направленный вглубь земли, и сейсмологи регистрировали эти импульсы один за другим. Поэтому интервал 0,11 с между двумя последовательными импульсами — это время пробега импульса туда-обратно, то есть вверх до поверхности воды и обратно до дна. Используя это значение времени распространения импульса, специалисты подсчитали, что подлодка затонула на глубине примерно 80 м. Позже выяснилось, что в действительности она затонула на глубине 115 м, то есть расчет оказался достаточно точным.