Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы - от кухни до космоса

Собственная частота того или иного объекта зависит от его формы и материала, из которого он изготовлен. Но самый важный фактор – размер. Вот почему маленькие собачки дышат еще быстрее. Их легкие очень малы; соответственно, частота их расширения-сжатия существенно выше. Учащенное дыхание – очень эффективный способ избавления от лишнего тепла, если ваши размеры невелики. Но эффективность снижается по мере их увеличения. Возможно, именно этим объясняется то обстоятельство, что более крупные животные – в том числе люди – потеют (особенно если их тело не покрыто шерстью).

Каждому объекту присуща собственная частота, причем иногда таких частот может быть несколько, если возможны разные картины вибрации. Когда объекты увеличиваются в размерах, эти частоты обычно снижаются. Чтобы привести в движение очень массивный объект, требуется толчок значительной силы, но даже здание может вибрировать – правда, с очень-очень низкой частотой. Вообще говоря, здание может вести себя как метроном – наподобие маятника, перевернутого вверх тормашками (фундамент зафиксирован, а верхушка колеблется из стороны в сторону). Вверху скорость ветра выше, чем внизу, и этого вполне достаточно, чтобы придать высокому и узкому зданию нечто вроде толчка, который вызовет раскачивание здания с его собственной частотой. Если вам приходилось в очень ветреный день бывать на верхних этажах небоскребов, то вы, наверное, ощущали эти раскачивания. Один цикл такого раскачивания может занимать пару секунд. Те, кто в такие моменты находится внутри высотных зданий, испытывают не самые приятные ощущения, поэтому архитекторам приходится искать способы сократить раскачивания. Полностью избавиться от них невозможно, но можно по крайней мере изменить собственную частоту и гибкость зданий, чтобы сделать раскачивания менее заметными. Если вы вдруг почувствуете, что здание, в котором находитесь, раскачивается под напором ветра, не волнуйтесь – здание проектируют таким образом, что оно может несколько изгибаться, но это вовсе не означает, что оно рухнет.

Ветер бывает порывистым, но он не толкает здание в строго определенном ритме, который может совпасть с собственной частотой здания, поэтому его раскачивание происходит лишь с очень небольшой амплитудой. Но толчки, вызываемые землетрясением, приводят к распространению «ряби» по земной поверхности. Эти громадные волны расходятся от эпицентра землетрясения в виде концентрических кругов, медленно покачивая земную поверхность из стороны в сторону. Что происходит с высоким зданием в случае землетрясения?

Утром 19 сентября 1985 года Мехико-Сити пришел в движение. Тектонические пласты под Тихоокеанским побережьем, в 400 километрах от города, начали громоздиться друг на друга, вызывая землетрясение магнитудой 8 баллов по шкале Рихтера. В Мехико-Сити толчки ощущались на протяжении приблизительно трех-четырех минут. Этого оказалось достаточно, чтобы город превратился в груду развалин. В тот день, по некоторым оценкам, с жизнью попрощались около десяти тысяч человек, а инфраструктуре города был нанесен колоссальный урон. На восстановление города ушло несколько лет. Чтобы оценить масштаб ущерба, Национальное бюро стандартов США, а также Служба геологии, геодезии и картографии США направили в Мехико-Сити бригаду из четырех инженеров и одного сейсмолога. Согласно составленному ими подробному отчету, причиной беспрецедентных разрушений стало шокирующее совпадение частот.

Прежде всего Мехико-Сити расположен на вершине, состоящей из осадочных пород, которые сформировались на дне озера и заполняют впадину, образованную твердыми скальными породами. Устройства контроля за развитием землетрясения показывали замечательные регулярные волны с единой частотой, хотя обычно у импульсов землетрясения гораздо более сложный характер. Оказалось, что особое геологическое строение осадочных пород озера придало им определенную собственную частоту колебаний, в результате чего они усиливали любые волны длительностью примерно две секунды. Впадина, заполненная осадочными породами, на которых был построен Мехико-Сити, на короткое время превратилась в столешницу, вибрирующую практически с неизменной частотой.

Усиление наблюдаемых колебаний оказалось значительным. Но при анализе конкретных повреждений инженеры обнаружили, что количество этажей у большинства разрушенных или сильно поврежденных зданий находилось в диапазоне от пяти до двадцати. Более высокие или, наоборот, низкие здания (а таких в городе было немало) практически не пострадали. Инженеры пришли к выводу, что собственная частота землетрясения почти совпадала с собственной частотой зданий средней этажности. Подвергаясь воздействию длительных регулярных толчков землетрясения, практически совпадающих с собственной частотой таких зданий, они начинали вибрировать, подобно камертонам, и в конце концов не выдержали напора стихии.