10.1: Вступ до масового витрачання

Last updated
Save as PDF

Page ID: 37196

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Все на поверхні Землі або поблизу неї тягнеться до Землі силою тяжіння. («Гравітація: це закон, з яким можна жити».) Це включає всі матеріали Землі, гірські породи та реголіт. Це одна з центральних концепцій даного курсу. Його важливість полягає в тому, що за певних обставин ці матеріали переміщуються вниз по схилу тягою тяжіння. Процеси руху поверхневих земних матеріалів під тягою сили тяжіння в сукупності називаються масовим витрачанням. (Я завжди думав, що цей термін досить нещасливий, але він є.) Це хороший час, щоб подивитися на два фонові розділи про гравітацію в кінці цього розділу.

Ви можете розглянути проблему масового витрачання з точки зору жорстокої перефрази відомої цитати: «Рухатися вниз по схилу, чи не рухатися вниз по схилу?» Критерії ініціювання руху земних матеріалів під дією сили тяжіння вниз по схилу не є однозначними, але вони мають велике практичне і теоретичне значення: масові події несуть відповідальність за величезні людські втрати.

Процеси масового витрачання дуже різноманітні за трьома важливими аспектами:

маса задіяного матеріалу
швидкість пересування
характер руху

Маси матеріалу варіюються від крихітних мінеральних зерен, що впадають вниз по схилу, до величезних мас з обсягами гірських порід і мінерального матеріалу до тисяч кубічних кілометрів. (Так, тисячі; це не помилка.) Швидкість коливається від непомітно повільних, менше метра на рік, до сотень метрів в секунду. Характер руху коливається від неушкоджених мас, які зберігають свою первісну структуру, до тих, які ретельно перемішуються і гомогенізуються під час руху. З огляду на цей широкий спектр характеристик, не повинно вас здивувати, що класифікація складна і термінологія може заплутати.

ФОН: ГРАВІТАЦІЯ

Про гравітацію знають всі. Для наочності, однак, ось деякі довідкові матеріали по ньому.

Перш за все, існує відмінність між гравітацією та гравітацією. Гравітація є більш загальним поняттям: це тяжіння між будь-якими двома тілами матерії у Всесвіті. Як і багато важливих речей у фізиці, це почалося з Ньютона: він сформулював те, що зараз називається законом Ньютона про всесвітнє тяжіння, що будь-які два тіла матерії надають привабливу силу один на одного, пропорційну добутку їх мас і обернено пропорційно квадрату відстань між ними. (Це один з ряду проявів того, що фізики називають «законами зворотного квадрата».) Чи дивує вас, дізнавшись, що гравітація є надзвичайно слабкою силою? Він стає великим лише тоді, коли одне або обидва тіла дуже масивні, як зірки або планети.

Земля чинить силу гравітаційного тяжіння на нас, а також на все інше на Землі. Це те, що називається силою тяжіння. (Ми чинимо рівну і протилежну силу на Землі, але зазвичай ми не турбуємося думати про це. Вам напевно здається смішним думати, що кожен з нас чинить таку велику силу на всю Землю, але це правда.)

Те, що ми називаємо вагою, - це лише сила тяжіння, яку Земля чинить на нас або на інші тіла матерії. Важливо чітко розуміти різницю між масою та вагою. Маса тіла - це міра кількості речовини, з якої складається це тіло; вага тіла - це сила тяжіння, яку Земля (або будь-яке інше тіло сонячної системи, з цього приводу) чинить на тіло. Саме тому космонавти так менше важили, коли були на Місяці, і чому космонавти в далекому космосі невагомі, хоч і не безмасові.

BACKGROUND: СКЛАДОВА СПАДНОГО НАХИЛУ ГРАВІТАЦІЇ

Сила тяжіння, яку Земля чинить на нас, спрямована до центру маси Землі, який майже ідентичний центру об'єму Землі. (Це просто взагалі називається «центр Землі».) Спосіб «горизонтальний» визначається, де завгодно на Землі, це лише площина, перпендикулярна напрямку сили тяжіння, в цій місцевості. Будь-яка поверхня нерухомої води збігається з цією горизонтальною площиною - тому що якби поверхня не була горизонтальною, вона була б похилою, а гравітація тягне воду вниз по схилу, поки не залишиться схил.

Це призводить нас безпосередньо до важливої ідеї, що силу тяжіння можна розглядати як частину, яка діє у всіх напрямках, які не збігаються з горизонтальною площиною. Ця сила називається складовою сили тяжіння в цьому конкретному напрямку. Щоб розібратися з цим кількісно, вам потрібно знати щось про математику векторів. (Вектор - це величина, яка має як величину, так і напрямок, і поводиться відповідно до певного набору правил; тут немає деталей.) Ви можете розв'язати вектор на компоненти вздовж будь-якого набору осей, за певними математичними правилами.

На малюнку 8-1 показано, як сила тяжіння тіла, що спирається на похилу поверхню, може бути розділена на дві складові, одну паралельну поверхні і одну перпендикулярну їй. Я хочу, щоб ви побачили в цьому, що складова гравітації вниз нахилу стає меншою, коли нахил стає більш м'яким: він змінюється від повної сили тяжіння, у вертикальному напрямку вниз, до нуля, на горизонтальній поверхні.

Малюнок 10-1. Розв'язування сили тяжіння в компонент у напрямку вниз схилу. Довжини стрілок представляють величини складових сили тяжіння. Зліва: крутий схил. Праворуч: пологий схил.

Все це має мати хороший якісний сенс для вас, тому що це частина людського досвіду: нас тягнуть вниз по крутому схилу більше, ніж вниз по пологому схилу. Те саме стосується всіх порід і реголітів на поверхні Землі, і це важливо для цієї глави.