Edits to “Условие”, “Решение”, “Ответ”
ru/3.7.19.md
+36 −3
| @@ -1,11 +1,44 @@ | |||
| ### Условие | |||
| − | $3.7.19.$ [Вставьте условие задачи] | ||
| + | $3.7.19.$ При землетрясениях в океане возникают протяженные возмущения поверхности воды - волны цунами. Особенно далеко они распространяются вдоль подводных горных хребтов, почти не теряя своей разрушительной способности. Объясните это. | ||
| + |  | ||
| + | |||
| ### Решение | |||
| − | asd | ||
| + | У цунами сейсмического происхождения длина волны $\lambda$ составляет от 100 до 300 км. Средняя глубина океана $H$ составляет от 4 до 5 км. В случае с цунами отношение $\frac{H}{\lambda}$ колеблеться от 0,01 до 0,05, что позволяет считать $\frac{H}{\lambda}\ll 1$. Тогда мы вправе использовать для скорости распространения цунами формулу скорости волны на "мелкой" воде, которая была получена в задаче $3.6.27.$: | ||
| + | $$c=\sqrt{gH}$$ | ||
| + | |||
| + | Поскольку скорость $c$ зависит от глубины, любое изменение рельефа дна приводит к преломлению волновых лучей. Пусть цунами распространяется в среде с меняющейся глубиной $H(x,y)$, где $x$ - координата вдоль оси подводного хребта, а $y$ - перпендикулярно ему. Если параметры хребта вдоль оси $x$ однородны, то для любого волнового луча выполняется инвариант закона преломления: | ||
| + | |||
| + | $$\frac{c(y)}{\sin\theta(y)}=const$$ | ||
| + | |||
| + | где $\theta(y)$ - угол между вектором направления распространения волны и нормалью к боковой границе хребта в данной точке. Из этого инварианта следует, что при переходе волны из зоны меньшей скорости (над хребтом) в зону большей скорости (глубокий океан) угол $\theta$ обязан увеличиваться. | ||
| + | |||
| + | Рассмотрим идеализированный П-образный профиль подводного хребта. | ||
| + | |||
| + |  | ||
| + | |||
| + | Над хребтом глубина равна $H_{1}$, скорость волны $c_{1}=\sqrt{gH_{1}}$. За пределами хребта глубина равна $H_{2}$, причем $H_{2}\gt H_{1}$, скорость волны $c_{2}=\sqrt{gH_{2}}$. | ||
| + | |||
| + | По аналогии с оптикой, область над хребтом является «оптически более плотной» средой, так как скорость волны здесь меньше $c_{1}\lt c_{2}$. Когда волна, находящаяся внутри области хребта, падает на его боковую границу под углом $\theta_{1}$, то по закон преломления: | ||
| + | |||
| + | $$\frac{c_{1}}{\sin\theta_{1}}=\frac{c_{2}}{\sin\theta_{2}}\Longrightarrow \sin\theta_{2}=\frac{c_{2}}{c_{1}}\sin\theta_{1}=\sqrt{\frac{H_{2}}{H_{1}}}\sin\theta_{1}$$ | ||
| + | |||
| + | Критический угол падения достигается в момент, когда преломленный луч уходит строго вдоль границы раздела, то есть угол преломления $\theta_{2}=90^{\circ }$, тогда: | ||
| + | |||
| + | $$\sin\theta_{кр}=\sqrt{\frac{H_{1}}{H_{2}}}\Longrightarrow \theta_{кр}=\arcsin\left( \sqrt{\frac{H_{1}}{H_{2}}} \right)$$ | ||
| + | |||
| + | Если угол падения волны на боковую стенку хребта превышает критический, то волна не может выйти в глубокий океан - происходит полное внутреннее отражение, и вся энергия волны отражается обратно внутрь хребта. | ||
| + | |||
| + |  | ||
| + | |||
| + | П-образный профиль хребта шириной $S$ физически тождественен классическому диэлектрическому плоскопараллельному волноводу. Волна цунами, рожденная над хребтом или вошедшая в него под достаточно острым углом к его оси, распространяется зигзагообразно. При каждом столкновении с левой или правой вертикальной границей раздела глубин угол падения к нормали стенки оказывается больше критического $\theta_{кр}$. Волна испытывает полное внутреннее отражение. Её фронт меняет направление, возвращаясь обратно к геометрическому центру хребта. Поток энергии локализуется внутри «коридора» шириной $S$. Геометрическое расхождение волны из двумерного (по площади всего океана) превращается в одномерное - вдоль хребта. Именно поэтому цунами сохраняет свою колоссальную разрушительную силу на расстояниях в тысячи километров. | ||
| + | |||
| + | |||
| #### Ответ | |||
| − | |||
| + | На границе раздела глубин возможно полное внутреннее отражение. | ||
| + | |||
| + |  | ||
| @@ -1,11 +1,44 @@ | |||
| ### Условие | ### Условие | ||
| $3.7.19.$ [Вставьте условие задачи] | $3.7.19.$ При землетрясениях в океане возникают протяженные возмущения поверхности воды - волны цунами. Особенно далеко они распространяются вдоль подводных горных хребтов, почти не теряя своей разрушительной способности. Объясните это. | ||
|  | |||
| ### Решение | ### Решение | ||
| asd | У цунами сейсмического происхождения длина волны $\lambda$ составляет от 100 до 300 км. Средняя глубина океана $H$ составляет от 4 до 5 км. В случае с цунами отношение $\frac{H}{\lambda}$ колеблеться от 0,01 до 0,05, что позволяет считать $\frac{H}{\lambda}\ll 1$. Тогда мы вправе использовать для скорости распространения цунами формулу скорости волны на "мелкой" воде, которая была получена в задаче $3.6.27.$: | ||
| $$c=\sqrt{gH}$$ | |||
| Поскольку скорость $c$ зависит от глубины, любое изменение рельефа дна приводит к преломлению волновых лучей. Пусть цунами распространяется в среде с меняющейся глубиной $H(x,y)$, где $x$ - координата вдоль оси подводного хребта, а $y$ - перпендикулярно ему. Если параметры хребта вдоль оси $x$ однородны, то для любого волнового луча выполняется инвариант закона преломления: | |||
| $$\frac{c(y)}{\sin\theta(y)}=const$$ | |||
| где $\theta(y)$ - угол между вектором направления распространения волны и нормалью к боковой границе хребта в данной точке. Из этого инварианта следует, что при переходе волны из зоны меньшей скорости (над хребтом) в зону большей скорости (глубокий океан) угол $\theta$ обязан увеличиваться. | |||
| Рассмотрим идеализированный П-образный профиль подводного хребта. | |||
|  | |||
| Над хребтом глубина равна $H_{1}$, скорость волны $c_{1}=\sqrt{gH_{1}}$. За пределами хребта глубина равна $H_{2}$, причем $H_{2}\gt H_{1}$, скорость волны $c_{2}=\sqrt{gH_{2}}$. | |||
| По аналогии с оптикой, область над хребтом является «оптически более плотной» средой, так как скорость волны здесь меньше $c_{1}\lt c_{2}$. Когда волна, находящаяся внутри области хребта, падает на его боковую границу под углом $\theta_{1}$, то по закон преломления: | |||
| $$\frac{c_{1}}{\sin\theta_{1}}=\frac{c_{2}}{\sin\theta_{2}}\Longrightarrow \sin\theta_{2}=\frac{c_{2}}{c_{1}}\sin\theta_{1}=\sqrt{\frac{H_{2}}{H_{1}}}\sin\theta_{1}$$ | |||
| Критический угол падения достигается в момент, когда преломленный луч уходит строго вдоль границы раздела, то есть угол преломления $\theta_{2}=90^{\circ }$, тогда: | |||
| $$\sin\theta_{кр}=\sqrt{\frac{H_{1}}{H_{2}}}\Longrightarrow \theta_{кр}=\arcsin\left( \sqrt{\frac{H_{1}}{H_{2}}} \right)$$ | |||
| Если угол падения волны на боковую стенку хребта превышает критический, то волна не может выйти в глубокий океан - происходит полное внутреннее отражение, и вся энергия волны отражается обратно внутрь хребта. | |||
|  | |||
| П-образный профиль хребта шириной $S$ физически тождественен классическому диэлектрическому плоскопараллельному волноводу. Волна цунами, рожденная над хребтом или вошедшая в него под достаточно острым углом к его оси, распространяется зигзагообразно. При каждом столкновении с левой или правой вертикальной границей раздела глубин угол падения к нормали стенки оказывается больше критического $\theta_{кр}$. Волна испытывает полное внутреннее отражение. Её фронт меняет направление, возвращаясь обратно к геометрическому центру хребта. Поток энергии локализуется внутри «коридора» шириной $S$. Геометрическое расхождение волны из двумерного (по площади всего океана) превращается в одномерное - вдоль хребта. Именно поэтому цунами сохраняет свою колоссальную разрушительную силу на расстояниях в тысячи километров. | |||
| #### Ответ | #### Ответ | ||
| На границе раздела глубин возможно полное внутреннее отражение. | |||
|  | |||