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图解惯性力
本篇主要关注建筑物对地震波的反应,也就是建筑物通过何种方式来抵抗地震波的作用?
我们都有乘坐公交车的经验,在车辆启动时,我们会向后倾倒;
行驶过程中的车辆刹车时,我们会向前猛冲。
这种使我们向后倾倒或向前猛冲的力就是惯性力。
牛顿早在1867年出版的巨著《自然哲学的数学原理》中就提出了第一运动定律(Newton's first law of motion),简称牛顿第一定律(惯性定律)。
正统的定义为:任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。
上面提到的例子中,正是由于启动或刹车产生的外力,使我们改变了保持的静止或匀速直线运动的状态。
如下图所示,如果我们拉着扶手,在图示加速度方向作用下,我们会向后倾斜。
这时,会有拉扶手的拉力,鞋与地面的摩擦力来平衡由加速度产生的惯性力,使我们不至于摔倒。
惯性力的大小等于质量和加速度的乘积,F=ma。牛顿第二定律。
当车辆启动产生惯性力时,不管是体重100kg的胖子,还是体重10kg的小孩,都会向后倾倒,说明随着体重(质量)增加,力会相应增大。
我们玩过山车时,当它从斜坡上冲下来,在几秒钟内从静止状态加速到很高的速度,我们会感觉身子被紧紧地按在了座椅靠背上,这说明随着加速度的增大,力也会越来越大。
地震波具有随时间变化的加速度曲线,当这种加速度施加给具有质量的建筑物时,就会产生惯性力,从而引起建筑物的变形。
在地震波作用下,建筑物产生与加速度方向相反的变形,也就是惯性力方向与加速度方向相反。
下图是房子静止时的状态
地震波从右向左施加时(加速度方向),房子向右变形。
地震波从左向右施加时(加速度方向),房子向左变形。