Kolebaniya i volny. Lekcii.
V.A.Aleshkevich, L.G.Dedenko, V.A.Karavaev (Fizicheskii fakul'tet MGU)Izdatel'stvo Fizicheskogo fakul'teta MGU, 2001 g. Soderzhanie
V poslednie gody byla vyyavlena detal'naya struktura mantii Zemli. Na ris. 5.3
pokazano raspredelenie skorosti v mantii, iz kotorogo mozhno
sdelat' zaklyuchenie o ee strukture. Zemnaya kora i verhnii sloi mantii do
glubiny
obrazuyut naruzhnuyu zonu - litosferu, ili
litosfernuyu plitu. Eta zhestkaya plita raskolota primerno na 10 bol'shih plit,
po granicam kotoryh raspolozheno podavlyayushee chislo ochagov zemletryasenii. Pod
zhestkoi litosfernoi plitoi na glubinah
raspolozhen sloi
povyshennoi tekuchesti, nazyvaemyi astenosferoi. Iz-za ee maloi vyazkosti
litosfernye plity kak by plavayut v
"astenosfernom okeane" Zemli. V astenosfere, gde temperatura veshestva
blizka k temperature plavleniya, skorosti voln ponizheny. Nachinaya s
skorosti vozrastayut iz-za uvelicheniya davleniya. Pri
vozrastanie skorosti est' rezul'tat fazovyh perehodov
(mineraly oliviny perehodyat v shpinelevuyu modifikaciyu), a na glubinah
skorost' vozrastaet iz-za rosta davleniya. Na glubinah
raspolozhena vtoraya zona fazovyh perehodov, odnako ostaetsya
otkrytym vopros o tom, kakie konkretno perehody otvetstvenny za bystryi rost
skorosti.
![]() |
Ris. 5.3. |
Na ris. 5.4 izobrazhen razrez Zemli, postroennyi v sootvetstvii s sovremennymi seismicheskimi dannymi.
![]() |
Ris. 5.4. |
Pri rasprostranenii ob'emnoi seismicheskoi volny v trehmernom sluchae amplituda umen'shaetsya s rasstoyaniem r, proidennym volnoi ot tochechnogo istochnika. Uravnenie takoi volny, nazyvaemoi sfericheskoi, imeet vid:
![]() | (5.4) |
Iz etogo uravneniya vidno, chto amplituda volny ubyvaet, vo-pervyh, iz-za ee
geometricheskogo rashozhdeniya vo vse storony ot epicentra; eto ubyvanie
proishodit obratno proporcional'no proidennomu volnoi rasstoyaniyu
Vo-vtoryh, amplituda volny ubyvaet iz-za perehoda chasti energii volny v
teplo vsledstvie neideal'noi uprugosti zemnyh nedr. Eto oslablenie
harakterizuetsya koefficientom zatuhaniya
Koefficient
proporcionalen chastote seismicheskoi volny, poetomu korotkie volny zatuhayut
bystree dlinnyh. Raschet pokazyvaet, chto dlya koefficientov zatuhaniya s- i
p-voln mogut byt' zapisany sootnosheniya
![]() |
Chastoty ob'emnyh seismicheskih voln lezhat v infrazvukovom diapazone
Sledovatel'no, dlya voln s chastotoi
umen'shenie amplitudy v e raz u poperechnoi volny proishodit na puti ~ 1000 km, a u prodol'noi volny - na puti ~ 4000 km.
Pomimo begushih voln, v ob'eme Zemli mogut nablyudat'sya i stoyachie volny, kogda vsya Zemlya kolebletsya, kak celoe, s razlichnymi chastotami, sootvetstvuyushimi razlichnym modam kolebanii. Konfiguracii etih mod otnosyatsya k dvum osnovnym tipam: sferoidal'nye kolebaniya (naibol'shii period ~ 55 min., chastota ~ 3*10-4 Gc) i torsionnye (krutil'nye) kolebaniya (naibol'shii period ~ 44 min., chastota ~ 3,8*10-4 Gc). V nastoyashee vremya spektr etih kolebanii naschityvaet neskol'ko tysyach eksperimental'no obnaruzhennyh chastot.
Poverhnostnye seismicheskie volny.
Naryadu s ob'emnymi, po Zemle mogut rasprostranyatsya i poverhnostnye volny. Eti volny byvayut dvuh tipov i nazyvayutsya volnami Releya i Lyava. Oni byli teoreticheski predskazany Dzh. Releem v 1855 g. i Lyavom v 1911 g. V Releevskoi volne chasticy grunta smeshayutsya v vertikal'noi ploskosti, orientirovannoi vdol' napravleniya rasprostraneniya voln, a traektorii ih dvizheniya predstavlyayut soboi ellipsy (sm. dalee gravitacionnye volny na poverhnosti zhidkosti). V volne Lyava chasticy dvizhutsya v gorizontal'noi ploskosti poperek napravleniya rasprostraneniya volny.
Dliny poverhnostnyh voln vozbuzhdaemyh pri zemletryasenii, lezhat v
intervale ot desyatkov do mnogih soten kilometrov. V poverhnostnyh volnah
amplituda ubyvaet s glubinoi, i na glubine
kolebaniya
mantii maly. Poetomu s pomosh'yu takih voln mozhno issledovat' lish' naruzhnye
sloi Zemli.
Iz-za dvumernogo rasprostraneniya amplituda poverhnostnyh voln ubyvaet
medlennee (obratno proporcional'no ), chem u ob'emnyh voln.
Poetomu takie volny mogut po neskol'ko raz obegat' vokrug zemnogo shara.
Skorost' poverhnostnyh voln zavisit ot chastoty, t. e. oni obladayut
dispersiei.
Na risunke 5.5 pokazany zavisimosti gruppovyh skorostei voln Releya
i Lyava
ot perioda kolebaniya volny. Legko videt', chto volny Lyava
rasprostranyayutsya bystree voln Releya. Otmetim, chto na ris. 5.5 pokazany
i
lish' dlya voln, amplitudy kotoryh opredelennym obrazom
ubyvayut s glubinoi. Vozmozhny poverhnostnye volny i s drugimi raspredeleniyami
amplitud po glubine.
![]() |
Ris. 5.5. |
Seismicheskie volny mozhno vyzvat' pri pomoshi vzryva. Nebol'shie vzryvy ispol'zuyutsya v inzhenernoi seismologii dlya provedeniya razvedki poleznyh iskopaemyh (nefti, rudy, gaza i t. d.). Podzemnye yadernye vzryvy sozdayut intensivnye volny, kotorye mozhno registrirovat' na lyubyh rasstoyaniyah. Eto daet vozmozhnost' nadezhno provodit' kontrol' nad podzemnymi yadernymi ispytaniyami.
Volny v zhidkostyah i gazah.
V zhidkostyah i gazah vozmozhny lish' deformacii
szhatiya i rastyazheniya, poetomu v nih mogut rasprostranyatsya tol'ko prodol'nye
volny. Hotya my ranee i rasschityvali skorost' rasprostraneniya vozmushenii v
gaze, tem ne menee vychislim skorost' rasprostraneniya prodol'nyh voln s
ispol'zovaniem volnovogo uravneniya. Poslednee mozhet byt' polucheno iz (4.74),
v kotorom sleduet zamenit' velichinoi
gde
- davlenie v volne,
- ravnovesnoe davlenie v srede,
- vozmushenie davleniya. Togda my mozhem zapisat'
![]() | (5.5) |
Chtoby iz (5.5) poluchit' volnovoe uravnenie, neobhodimo znat' material'noe uravnenie sredy
![]() | (5.6) |
Kachestvenno eta zavisimost' izobrazhena na ris. 5.6. Pri ochen' malyh
vozmusheniyah plotnosti i
davleniya
iz (5.6) poluchaem:
![]() | (5.7) |
gde vvedeno oboznachenie
![]() | (5.8) |
![]() |
Ris. 5.6. |
S uchetom (4.69) i (4.72) vozmusheniya plotnosti v (5.7) svyazany
so smesheniem s sootnosheniem:
![]() | (5.9) |
Sledovatel'no, (5.7) primet vid:
![]() | (5.10) |
Podstavlyaya (5.10) v (5.5), zapisyvaya i perehodya k
predelu pri
poluchim volnovoe uravnenie
![]() | (5.11) |
iz kotorogo srazu vidno, chto skorost' volny zadaetsya vyrazheniem (5.8) i ne
zavisit ot chastoty (dispersiya otsutstvuet). Estestvenno, chto s takoi
skorost'yu rasprostranyayutsya volny s dlinoi volny prevoshodyashei
dlinu svobodnogo probega molekul v gaze ili mezhatomnye rasstoyaniya v
zhidkostyah
V etom sluchae zhidkost' i gaz mogut rassmatrivat'sya kak
sploshnye sredy. Dlya voln vysokih chastot, kogda
voznikaet dispersiya, a volny s dlinoi
rasprostranyat'sya
voobshe ne mogut.
Uprugie volny v zhidkostyah i gazah, kak, vprochem, i v tverdyh telah,
nazyvayutsya akusticheskimi, a razdel fiziki, kotoryi ih izuchaet - akustikoi.
Chastoty etih voln lezhat v diapazone ot dolei gerca (infrazvuk) do 1013
Gc (giperzvuk). Etim chastotam sootvetstvuyut dliny voln ot
desyatkov kilometrov do neskol'kih angstrem. Znacheniya skorostei (fazovyh i
gruppovyh) dlya raznyh sred lezhat v diapazone ot dolei do desyatkov km/s.
Dlya vozduha material'noe uravnenie (5.6) yavlyaetsya uravneniem adiabaty i v akustike obychno zapisyvaetsya v vide (sm. takzhe predydushie lekcii):
![]() | (5.12) |
gde - pokazatel' adiabaty.
Togda iz (5.8) skorost' volny (v akustike upotreblyayut termin "skorost' zvuka") v gaze poluchaetsya ravnoi
![]() | (5.13) |
gde - molyarnaya massa gaza.
Skorost' zvuka zavisit, takim obrazom, ot roda gaza i po poryadku velichiny sovpadaet so srednei skorost'yu teplovogo dvizheniya molekul.
Dlya zhidkosti material'nym uravneniem yavlyaetsya poluempiricheskoe uravnenie Teta:
![]() | (5.14) |
gde - harakternoe vnutrennee davlenie, obuslovlennoe
mezhmolekulyarnym vzaimodeistviem (ono sostavlyaet dlya bol'shinstva zhidkostei
bez puzyr'kov i razlichnyh vklyuchenii neskol'ko tysyach atmosfer). Parametr
imeet poryadok neskol'kih edinic (naprimer, dlya vody
).
V tablice privedeny znacheniya skorosti zvuka, izmerennye v nekotoryh gazah
(pri temperature ) i zhidkostyah.
Gazy | Skorost' zvuka, m/s | Zhidkosti | Skorost' zvuka, m/s |
Vodorod | 1265 | Voda ![]() | 1490 |
Gelii | 965 | Etil. spirt ![]() | 1180 |
Azot | 334 | Vodorod ![]() | 1127 |
Vozduh | 331 | Kislorod ![]() | 911 |
Kislorod | 316 | Azot ![]() | 867 |
Uglekislota | 216 | Gelii ![]() | 180 |
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|