Введение
Посмотрим вокруг себя. Нас окружает сложный и большой мир. Это дома и улицы. Люди, растения, животные, реки, поля, леса, горы. А если посмотреть на Землю из Космоса, то мы увидим зелено-голубой шар с белыми пятнами облаков на фоне черного пространства с яркими капельками звезд.
Большую роль в понимании явлений природы и сохранении устойчивого окружающего мира играет физика, так как в основе большинства природных и технологических процессов лежат физические явления, описываемые физическими законами. Явления, обсуждаемые в учебниках физики, рассматриваются чаще всего на основе лабораторных опытов или процессов, происходящих в технических устройствах. В природе эти явления имеют более сложных характер под влиянием дополнительных факторов, в том числе человеческой деятельности.
Если мы будем знать причины опасных явлений в окружающей среде, то сумеем найти способы их устранения или использования. Каждый из нас понимает, что земля – это наш общий дом. Об этом очень хорошо сказал французский писатель и летчик Антуан де Сент-Экзюпери: «Есть такое правило: встал поутру, умылся, привел себя в порядок – и сразу приведи в порядок свою планету».
Проблема: современная наука не всегда может предугадать опасное природное явление, из-за чего погибает множество людей.
Цель моей работы: изучить опасные природные явления и способы их обнаружения.
Объектом для изучения является: физика.
Предмет исследования: физика природных явлений.
Гипотеза: я считаю, что современная наука способна предугадать появление опасных природных явлений, но приборы, позволяющие это сделать, расположены не во всех необходимых местах.
Задачи исследования:
1) найти и изучить информацию о физике природных явлений;
2) изучить способы защиты от опасных природных явлений;
3) произвести оценку знаний учеников по данной теме;
3) создать презентацию по данной теме
Продукт исследования: Презентация «Физика природных явлений»
Методы исследования: теоретический, практический.
1. Опасность природных явлений
1.1. Рассказы и стихи о природных явлениях
1.2. Термины: лавина, смерч,
Лавина (нем. Lawine, от позднелатинского labina — оползень) — масса снега, падающая или соскальзывающая со склонов гор. Снежные лавины могут представлять немалую опасность, вызывая человеческие жертвы (в частности, среди альпинистов, любителей горных лыж и сноубординга) и принося существенный ущерб имуществу.
Смерч (или торнадо)— атмосферный вихрь, возникающий в кучево-дождевом (грозовом) облаке и распространяющийся вниз, часто до самой поверхности земли, в виде облачного рукава или хобота диаметром в десятки и сотни метров. Обычно поперечный диаметр воронки смерча в нижнем сечении составляет 300—400 м, хотя, если смерч касается поверхности воды, эта величина может составлять всего 20—30 м, а при прохождении воронки над сушей может достигать 1,5—3 км.
Вулканы — геологические образования на поверхности земной коры или коры другой планеты, где магма выходит на поверхность, образуя лаву, вулканические газы, камни (вулканические бомбы) и пирокластические потоки. Извержения вулканов относятся к геологическим чрезвычайным ситуациям, которые могут привести к стихийным бедствиям.
Землетрясения — подземные толчки и колебания поверхности Земли, вызванные естественными причинами или искусственными процессами (взрывы, заполнение водохранилищ). Землетрясения не всегда поддаются предсказаниям и могут нанести огромный ущерб.
2. Физика природных явлений
2.1. Теоретическая часть
2.1.1. Лавина
2.1.1.1.География лавин
Рисунок 1- Карта лавиноопасных районов СССР |
Рисунок 2 - Карта лавиноопасных районов СССР |
Вполне понятно, что наиболее крупные очаги лавин сосредоточены в высочайших горных хребтах: Гималаях в Азии, Кордильерах в Южной Америке, Скалистых горах в Северной Америке. В Европе особенно высокая лавинная опасность - в Альпах, там насчитывается 20 тыс. мест схода лавин. На первый взгляд может показаться, что в СССР, где много равнин и относительно невысоких плоскогорий, лавиноопасные районы занимают незначительную площадь. Но это не так. Территория, на которой с гор сходят лавины, занимает почти 20% площади нашей страны (более 4 млн км), что, кстати говоря, равно площади ста Швейцарии. На рисунке 1-2 (рис.1,рис.2) приведена карта лавиноопасных районов СССР. Она представляет собой результат тридцатилетней работы советских исследователей. Красным цветом выделены районы со значительной лавинной опасностью; в этих районах много лавинных очагов, лавины сходят ежегодно. В районах, выделенных зеленым цветом, сеть лавин относительно разрежена; лавины сходят не каждый год. Наконец, в районах, выделенных желтым цветом, лавины встречаются лишь в отдельных местах и сходят только в многоснежные годы. Давно исследуемые лавинные очаги на Кавказе, в Хибинах и Карпатах выглядят на карте маленькими пятнышками по сравнению с лавиноопасными районами на Памире, Тянь-Шане, Саянах, в Забайкалье, на Колымском хребте, Камчатке, Чукотке. Достаточно мощные лавинные очаги существуют также в горных районах южнее полуострова Таймыр, на Сахалине, Северном Урале, Новой Земле. Заметим, что при проектировании и строительстве горных участков Байкало-Амурской магистрали пришлось серьезно учитывать лавинную опасность.
2.1.1.2. Когда рождаются лавины.
Различные случаи рождения снежных лавин можно разбить на четыре группы.
Первая группа. Долго бушует сильная горная метель с обильным снегопадом. На подветренном склоне горы скапливается много снега. В какой-то момент времени количество накопившегося снега оказывается чрезмерным и рождается лавина.
Вторая группа. Метель бушевала накануне, а сегодня ясный солнечный день. Довольно сильный мороз. Кругом царит спокойствие. И вдруг на снежном покрове где-то недалеко от вершины горы возникает трещина - рождается лавина. Такое ее рождение представляется совершенно неожиданным. Кажется, что лавина коварно возникла без какой-либо причины. Только что стояла тишина, все было неподвижным, надежным - и вдруг огромные массы снега обрушиваются с гор в долину.
Третья группа. Происходят подземные толчки – и в результате возникает снежная лавина. Впрочем, землетрясение совсем не обязательно. Известны случаи, когда снежные массы обрушиваются вниз даже от довольно незначительных сотрясений воздуха, например от крика. Помните, у Шиллера:
Страшись пробужденья лавины ужасной,
В молчаньи пройди по дороге опасной.
Иногда для того, чтобы специально вызвать сход лавин, устраивают в горах стрельбу из артиллерийских орудий.
Четвертая группа. Допустим, что снегопада давно не было, и снег на горных склонах хорошо слежался. Он лежит так уже несколько недель, и, кажется, даже артиллерийская стрельба не в состоянии нарушить его устойчивость. Но вот наступила сильная оттепель, кругом зажурчали ручейки, снег на склоне горы заметно осел и потемнел. И вдруг массы мокрого снега начинают быстро сползать вниз - оттепель привела к рождению лавины.
2.1.1.3. Почему они рождаются (физика возникновения лавин).
Рисунок 3 - Физика лавины |
Здесь Fт- сила трения. Это есть сила трения покоя, пока снег лежит на склоне горы; она превращается в силу трения скольжения, когда снег начинает двигаться по склону. Сила Fc - сила сцепления снега с поверхностью склона. Она обусловлена не столько неровностями, за которые зацепляется снежная масса, сколько сцеплением вследствие примерзания нижнего слоя снега к грунту, а также образования внутриснежных ледяных связей. Сила Fк - так называемая контурная сила. Она возникает за счет того, что нижележащие снежные массы мешают нашей массе снега соскользнуть вниз; кроме того, благодаря внутриснежным связям вышележащий снег также будет придерживать нашу массу.
Теперь перейдем к рассмотрению каждой из четырех отмеченных ранее групп лавин. Начнем с первой. Идет снегопад, и на подветренном склоне горы постепенно накапливается снег. О том, что снег должен накапливаться именно на подветренном склоне, мы уже говорили ранее (см. окончание предыдущей главы). Обратимся к уравнению (Формула1). По мере накопления снега возрастает сила Mgsinα. Одновременно растет и сила F, так что Mgsinα-F=0; и, следовательно, снег неподвижен (а=0). Но сила F не может расти неограниченно. При длительно продолжающемся снегопаде рано или поздно наступит момент, когда сила F, возрастая, достигнет своего предельного значения Fmax (для данного угла наклона α, для данных погодных условий, для данной микроструктуры снега и данной поверхности горного склона). С этого момента равновесие нарушается: сила Mgsinα продолжает расти, а сила F более увеличиваться не может. Теперь Mgsinα>Fmax, и, значит, Mgsinα>F (а>0) - начинается скольжение снега по склону.
Рассмотрим вторую группу лавин. В данном случае увеличение скатывающей силы Mgsinα оказалось недостаточным для того, чтобы возрастающая одновременно с ней сила F достигла своего предельного значения Fmax. Снегопад окончился, а лавина так и не возникла. Однако вопрос не следует считать закрытым; ведь внутри выпавшего снега будут происходить изменения, микроструктура снежного покрова будет постепенно меняться благодаря процессам испарения, подтаивания, кристаллизации. Это может привести к тому, что предельное значение Fmax силы, удерживающей снег на склоне, начнет с течением времени постепенно уменьшаться. Скатывающая же сила Mgsinα остается при этом, очевидно, неизменной. В результате в какой-то момент времени (он может наступить на следующие сутки или даже через несколько дней) постепенно уменьшающееся предельное значение Fmax становится меньше силы Mgsinα - тогда равновесие нарушается и начинается движение снега.
Почему сцепление снега с поверхностью склона может уменьшаться с течением времени? Вопрос этот непростой. Если температура внутри слоя снега понижается в направлении от грунта к поверхности снега, то в этом случае из-за перемещения водяных паров снизу вверх формируется характерная слоистая структура: вблизи грунта образуется рыхлый слой глубинного инея, а наверху, у поверхности снега, уплотненная снежная доска. В морозный день температура у поверхности снега действительно ниже, чем в его глубине, вблизи грунта. Поэтому вполне можно допустить, что уменьшение сцепления снега с поверхностью горного склона есть результат формирования придонного слоя глубинного инея.
При подземных толчках, а также при стрельбе из орудий, когда образуется достаточно мощная звуковая волна, сцепление снега со склоном понижается скачком и начинается движение снежной массы. Это есть третья из отмечавшихся выше групп лавин. Возникновение лавины от не слишком сильных звуков возможно, очевидно, лишь когда снежная масса, что называется, висит на волоске, т. е. когда сила Mgsinα всего лишь на ничтожную величину меньше, чем Fmax.
Совсем нетрудно объяснить теперь и последнюю, четвертую группу лавин. Оттепель приводит к таянию, снег насыщается водой, вода опускается внутри снежного слоя вниз и течет по склону горы, образуя тонкую прослойку между снегом и грунтом. Эта прослойка действует как смазка - она весьма эффективно уменьшает сцепление снега с горным склоном. И хотя по мере таяния снега скатывающая сила Mgsinα уменьшается, все же предельное значение Fmax силы, удерживающей снег на склоне, уменьшается еще быстрее. В результате возникает возможность образования лавины.
Итак, устойчивость снежного покрова, лежащего на склоне горы, определяется тем, насколько скатывающая сила Mgsinα меньше предельного значения Fmax удерживающей силы. Снег неподвижен, пока Mgsinα<Fmax; при этом скатывающая сила уравновешивается удерживающей силой: Mgsinα=F.
2.1.1.4 Борьба с лавинной опасностью.
В драме Шиллера Вильгельм Телль есть такие строки:
Так вот, давно б тяжелые лавины
Засыпали селенье наше Альторф,
Но будто всенародным ополченьем
Встречает их наш заповедный лес.
Леса и кустарники на горных склонах хорошо противостоят лавинам. Во-первых, они увеличивают сцепление снежного покрова со склоном горы, а во-вторых, не позволяют зародившейся лавине разогнаться. Вот почему насаждение лесов на горных склонах считается наиболее эффективным способом борьбы с лавинной опасностью.
Применяются, конечно, и другие способы. Некоторые из них схематически показаны на рисунках, которые можно видеть на РИС???. Слева вверху - дамба отклоняет лавину в сторону от дороги; внизу - специальные надолбы разрезают поток снега на части, вследствие чего лавина ослабляется; справа - дорога проходит внутри противолавинной галереи. В качестве еще одного способа борьбы с лавинной опасностью отметим искусственное регулирование схода лавин при помощи минометно-артиллерийского обстрела опасных склонов. В этом случае известно, где именно и когда сойдет лавина. Кроме того, при этом удается сбросить снежную массу более мелкими порциями, чем при естественном сходе лавины. 
2.1.2. Смерч (торнадо)
Смерч (или торнадо)— атмосферный вихрь, возникающий в кучево-дождевом (грозовом) облаке и распространяющийся вниз, часто до самой поверхности земли, в виде облачного рукава или хобота диаметром в десятки и сотни метров. Обычно поперечный диаметр воронки смерча в нижнем сечении составляет 300—400 м, хотя, если смерч касается поверхности воды, эта величина может составлять всего 20—30 м, а при прохождении воронки над сушей может достигать 1,5—3 км.
2.1.2.1. Места образования смерчей
Грозы бывают в большей части земного шара, за исключением регионов с субарктическим климатом и арктическим климатом, однако смерчи могут сопровождать только те грозы, которые находятся на стыке атмосферных фронтов.
Наибольшее количество смерчей фиксируется на североамериканском континенте, в особенности в центральных штатах США, меньше — в восточных штатах США. На юге, в штате Флорида у островов Флорида-Кис, смерчи появляются с моря почти каждый день, с мая до середины октября, за что этот район получил прозвище «край водяных смерчей. Вторым регионом земного шара, где возникают условия для формирования смерчей, является Европа (кроме Пиренейского полуострова), и вся Европейская территория России, за исключением юга России, Карелии и Мурманской области, а также других северных областей.
Таким образом, смерчи в основном наблюдаются в умеренном поясе обоих полушарий, приблизительно с 60-й параллели по 45-ю параллель в Европе и 30-ю параллель в США.
Также смерчи фиксируются на востоке Аргентины, ЮАР, западе и востоке Австралии и ряда других регионов, где также могут быть условия столкновения атмосферных фронтов.
Поражающие факторы:
· колоссальная подъёмная сила на большую высоту (падение с которой для человека может оказаться летальным)
· захваченные предметы (в том числе с острыми кромками), летящие с большой скоростью
· разрушение зданий, коммуникаций, обрывы линий электропередач
· возникновение пожаров
2.1.2.2. Причины образования.
Когда массы горячего влажного воздуха сталкиваются с массами холодного воздуха, возникают облака, начинается дождь, снег или гроза. Может случиться и так: образуются вихри, в которых воздух закручивается с большой скоростью. Рождается торнадо. Торнадо – результат столкновения больших масс теплого и влажного воздуха (кучевые облака) с холодным фронтом. Холодный сухой воздух еще больше увеличивает поток, который очень быстро поднимается вверх. В верхней части торнадо появляется воронкообразное расширение, которое очень быстро вращается. От него к земле опускается вертикальный рука, так называемый хобот.
2.1.2.3. Классификация смерчей
· Бичеподобные - это наиболее распространённый тип смерчей. Воронка выглядит гладкой, тонкой, может быть весьма извилистой. Длина воронки значительно превосходит её радиус. Слабые смерчи и опускающиеся на воду смерчевые воронки, как правило, являются бичеподобными смерчами.
· Расплывчатые - выглядят как лахматые, вращающиеся, достигающие земли облака. Иногда диаметр такого смерча даже превосходит его высоту. Все воронки большого диаметра (более 0,5 км) являются расплывчатыми. Обычно это очень мощные вихри, часто составные. Наносят огромный ущерб ввиду больших размеров и очень высокой скорости ветра.
· Составные - могут состоять из двух и более отдельных тромбов вокруг главного центрального смерча. Подобные торнадо могут быть практически любой мощности, однако, чаще всего это очень мощные смерчи. Они наносят значительный ущерб на обширных территориях..
2.1.2.4. Физика образования смерчей
Ежегодно мощные смерчи, которые в США называют торнадо, уносят жизни сотен людей, разрушают постройки, топят корабли. Но их механизм до последнего времени оставался для ученых загадкой.
Проникнуть в тайну удалось российскому физику С. В. Цивинскому, который создал аэродинамическую модель смерча. Более того, ученый предложил способы использования принципа торнадо для нужд людей.
С. В. Цивинский утверждает, что своим возникновением и существованием торнадо обязан кориолисовой силе. Эта сила возникает из-за вращения Земли, и благодаря ей правые берега рек, текущих вдоль меридиана, круче, чем левые.
По Цивинскому, при нагреве поверхности земли или воды возникает восходящий поток теплого воздуха, давление у поверхности уменьшается, и сюда, как по радиусам к центру круга, устремляется воздух из окружающего пространства. На движущиеся частицы воздуха начинает действовать кориолисова сила, которая заставляет их закручиваться по спирали по часовой стрелке(если смотреть сверху). Так и образуется самоподдерживающий себя смерч.
ЕБАЛ Я В ЖОПУ ОПД
Дата добавления: 2015-09-29; просмотров: 42 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Министерство образования и науки Российской Федерации | | |