5.12汶川大地震中的物理問題

薛小杰

（四川幼兒師范高等專科學(xué)校，四川 江油 621709）

5.12汶川大地震中的物理問題

薛小杰

（四川幼兒師范高等專科學(xué)校，四川 江油 621709）

地震又稱地動、地振動，是地殼快速釋放能量過程中造成振動，期間會產(chǎn)生地震波的一種自然現(xiàn)象.地震常常造成嚴(yán)重人員傷亡，能引起火災(zāi)、水災(zāi)、有毒氣體泄漏、細(xì)菌及放射性物質(zhì)擴(kuò)散，還可能造成海嘯、滑坡、崩塌、地裂縫等次生災(zāi)害.地震中的各種現(xiàn)象都遵循相應(yīng)的物理學(xué)原理，這里選擇北川地震中的幾個典型現(xiàn)象，并配以圖片進(jìn)行淺易解讀.

北川；地震；物理問題

1 “5.12汶川大地震”

1.1 地震概述

地震又稱地動、地振動，是地殼快速釋放能量過程中造成振動，期間會產(chǎn)生地震波的一種自然現(xiàn)象.地震常常造成嚴(yán)重人員傷亡，能引起火災(zāi)、水災(zāi)、有毒氣體泄漏、細(xì)菌及放射性物質(zhì)擴(kuò)散，還可能造成海嘯、滑坡、崩塌、地裂縫等次生災(zāi)害[1].

1.2 5.12汶川大地震起因

印度洋板塊向亞歐板塊俯沖，造成青藏高原快速隆升.高原物質(zhì)向東緩慢流動，在高原東緣沿龍門山構(gòu)造帶向東擠壓，遇到四川盆地的頑強(qiáng)阻擋，造成構(gòu)造應(yīng)力能量的長期積累，最終在龍門山北川—映秀地區(qū)突然釋放.逆沖、右旋、擠壓型斷層地震.四川特大地震發(fā)生在地殼脆韌性轉(zhuǎn)換帶，震源深度為10～20千米，與地表近，持續(xù)時間較長，因此破壞性巨大，影響強(qiáng)烈[2].

2 地震中的物理問題

地震中的各種現(xiàn)象都遵循相應(yīng)的物理學(xué)原理，這里選擇本次大地震重災(zāi)區(qū)之一北川老縣城中的幾個典型現(xiàn)象，并配以圖片進(jìn)行淺易解讀.

2.1 地震波肆虐

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，地下巖石受到強(qiáng)烈沖擊，產(chǎn)生彈性震動，并以波的形式向四周傳播，這種彈性波即為地震波.

地震波主要包含縱波和橫波.振動方向與傳播方向一致的波為縱波（P波）.來自地下的縱波引起地面上下顛簸振動.振動方向與傳播方向垂直的波為橫波（S波）.來自地下的橫波能引起地面的水平晃動.橫波是地震時造成建筑物破壞的主要原因.其中縱波的振幅小，周期短；而橫波的振幅大，周期稍長[3].

當(dāng)?shù)卣鸩◤恼鹪磦鞯降孛鏁r，人們往往先感覺上下顛簸，稍候再感覺水平方向來回?fù)u晃，這是什么原因呢？原來，在同一介質(zhì)中，縱波比橫波傳播更快.如圖所示，震源O產(chǎn)生的地震波沿虛線傳到地面E處，其中，以AB方向（與波傳播方向相同）振動的縱波率先到達(dá)E處，E處的人或建筑也會跟著作AB方向的振動，則會出現(xiàn)上下顛簸的現(xiàn)象；緊接著，在經(jīng)過數(shù)秒到十幾秒后，以CD方向（與波傳播方向垂直）振動的橫波也傳到E處，此時E處的人或建筑也會產(chǎn)生CD方向的振動而作水平方向搖晃.

由于橫波的破壞力更大，當(dāng)感受到縱波傳來的時候，意味著稍候就會有更危險的橫波傳來，此時應(yīng)立刻作出有效的避震行動.

2.2 重力勢能釋放——北川中學(xué)的哀歌

只有圖片中這面屹立不倒的紅旗，標(biāo)識北川中學(xué)曾經(jīng)之所在.地震驟然來襲，整個北川中學(xué)都被鋪天的滾滾巨石傾刻覆蓋，幾乎所有師生均來不及轉(zhuǎn)移而不幸長眠于此.深情哀悼那些災(zāi)難中逝去的年輕生命！

北川中學(xué)這巨大的災(zāi)難是怎么造成的呢？

這是山體巨石的巨大重力勢能釋放所導(dǎo)致的不可阻擋的破壞.

物體由于被舉高而具有的能叫做重力勢能.是引力勢能在特殊情形下的推廣，是物體在重力的作用下而具有的由空間位置決定的能量，其大小與確定其空間位置所選取的參考點(diǎn)有關(guān)[4].

北川中學(xué)依山而建，而山體由結(jié)構(gòu)比較松散的巖石構(gòu)成，在地震縱波劇烈的上下顛簸及橫波的肆意搖晃下，相對松散的巖石迅速解體，而這些相對地面數(shù)百米高的上千萬噸巨石，蘊(yùn)含著非常巨大的重力勢能，這沉寂數(shù)萬年的巨大勢能瞬間釋放，轉(zhuǎn)化為無堅不摧的強(qiáng)大動能，北川中學(xué)即便再堅固的人為建筑，在這大自然強(qiáng)大破壞力的沖擊下，也會顯得無比的脆弱……

2.3 慣性破壞——大橋錯位，房屋“下陷”

北川地震造成大量建筑的嚴(yán)重?fù)p壞.

2.3.1 大橋錯位

請先看一張圖片：

這就是北川湔江龍尾大橋.粗略一看，圖片中有兩個現(xiàn)象比較明顯：一、橋面和橋墩明顯錯位；二、橋面斷裂成多截，并且也有相互間錯位.另外還有一個不怎么引人注意的現(xiàn)象：每個橋墩左端的卡槽全部斷裂.

對于第一個現(xiàn)象，普遍的人會輕易作出直觀的判斷：橋面向右發(fā)生了整體平移.但是，橋面如果要向右平移，就需要一個向右的動力，然而這個動力的施力物顯然無從找尋.事實(shí)上，這并不是橋面向右平移，而是橋墩相對橋面向左移動.當(dāng)?shù)卣饳M波傳至地面，帶動地面左右劇烈搖晃，橋墩與地面牢固連成一體，受到地面波動的力量猛地向左晃動，而橋面由于慣性，要保持原來的靜止?fàn)顟B(tài)，相對于橋墩，自然就向右移動了.而此時橋面實(shí)際上并沒有向右運(yùn)動，也沒能嚴(yán)格保持原來的靜止?fàn)顟B(tài)，因為它受到橋墩相當(dāng)大的向左的摩擦力，它也會跟著向橋墩移動的方向發(fā)生一些位移，只是沒有橋墩移動得那么多.

當(dāng)?shù)卣饳M波傳來，橋墩會隨著地面作橫向的晃動，當(dāng)橋墩劇烈向右晃動的時候，橋墩左端的高于墩面的卡槽撞在因慣性而保持原來靜止?fàn)顟B(tài)的橋面左側(cè)，這個撞擊力亦是非常大的，使得左端這些卡槽紛紛被撞斷裂.在整個劇烈晃動過程中，橋墩有時伸出橋面右側(cè)，有時伸出橋面左側(cè)（此時右端的卡槽被撞斷），當(dāng)晃動不夠劇烈時，較大的摩擦力使得橋墩與橋面不再發(fā)生相對移動，橋墩與橋面最后一次劇烈晃動所形成的位置關(guān)系就一直保持下來.

另外橋面也斷裂，相對錯位，個中原因這里就不再詳細(xì)敘述.

2.3.2 房屋“下陷”

請看一張照片：

這張照片貌似沒有什么特別的地方，房屋完好，似乎并沒有受到地震明顯的影響.然而，圖片中幾乎完好的磁磚墻面實(shí)際上是二樓的墻面.圖片左側(cè)（劃圈處）正是一樓的卷連門被壓在下面.人們往往據(jù)此作出直觀判斷——這幢樓整體下陷！果真如此嗎？

請再看一張照片：

這張照片就能明顯看出一樓承重墻統(tǒng)一朝同一個方向倒塌，樓體整體坐下去，亦給人形成一樓直接陷入地面的粗略感覺.那么這種現(xiàn)象是怎么形成的呢？原因有二：一是地震橫波兇猛搖晃；二是一樓門面房存在明顯抗震隱患的建筑特點(diǎn).地震橫波傳來，地面帶動一樓承重墻猛地向左一晃，一樓門面房前面墻體建筑空洞，難以把地面的力傳到高樓層使整個樓體同步晃動，由于慣性，高樓層繼續(xù)保持原來的靜止?fàn)顟B(tài)，而地基已隨著地面向左移動一長段距離，生生將一樓承重墻折斷，上面樓層相對地基向右偏移，巨大重力順勢壓將下來，一樓頓時不復(fù)存在.如果上面樓層相對向右偏移時遇到阻力，則可能支撐住樓層而不完全坍塌下來，比如上圖所示，旁邊一幢結(jié)實(shí)的建筑將傾倒中的樓層穩(wěn)穩(wěn)支撐，阻止其進(jìn)一步傾倒.

3 結(jié)語

自然界、生活中，物理現(xiàn)象無處不在.我們在教學(xué)過程中要引導(dǎo)五年制專科學(xué)前教育專業(yè)學(xué)生練就一雙善于觀察的眼睛，讓她們有意識地去觀察自然、觀察生活，并進(jìn)一步透過現(xiàn)象深入思考其本質(zhì)，力求做到認(rèn)識自然，利用自然，并能避害于自然甚至改造自然.筆者在多次實(shí)地緬懷北川遺址后有感，謹(jǐn)以此文沉痛紀(jì)念5.12四川特大地震及地震救援中遇難的同胞們.

[1]地震_ 百度百科[EB/OL].[2014-03-10].http://baike.baidu.com/subview/781/11049732.htmfr=aladdin.

[2]5·12汶川地震_百度百科[EB/OL].[2014-03-13].http://baike.baidu.com/view/3486152.htm.

[3]地震_百度百科[EB/OL].[2014-03-10].http://baike.baidu.com/subview/781/11049732.htmfr=aladdin

[4]重力勢能_百度百科[EB/OL].[2014-03-20].http://baike.baidu.com/view/60577.htm.

責(zé)任編輯：張隆輝

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2014-05-27

本文系四川省2013-2016年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項目“五年制專科學(xué)前教育專業(yè)建設(shè)與改革”的階段性研究成果.

薛小杰（1976-），男，重慶潼南人，四川幼兒師范高等專科學(xué)校講師，學(xué)士.研究方向：幼師物理教學(xué).