Gravitatia. Mareele. Alunecarile pe pante sub influenta gravitatiei

Gravitatia. Mareele. Alunecarile pe pante sub influenta gravitatiei

I.1 Legea atractiei universale

Miscarea planetelor in jurul Soarelui este descrisa de legile lui Kepler stabilite in anul 1619 de Johannes Kepler, om de stiinta german. Acestea sunt:

planetele se misca pe elipse ce au Soarele situat intr-unul dintre focare;

raza vectoare a planetei descrie arii egale in intervale de timp egale (legea ariilor);

patratele perioadelor de revolutie sunt direct proportionale cu cuburile semiaxelor mari, adica:

  (1)

unde prin perioada de revolutie T se intelege timpul in care planeta descrie o elipsa completa, figura 1.

In anul 1687, I. Newton a explicat aceste legi presupunand ca Soarele exercita o forta de atractie asupra planetelor. Aceasta forta de atractie se manifesta ca o forta centripeta ce obliga fiecare planeta in parte sa se miste dupa o curba inchisa de forma unei elipse. Newton a demonstrat ca daca se admite ca forta de atractie din partea Soarelui care actioneaza asupra unei planete este proportionala cu produsul dintre masele acestora si invers proportionala cu patratul distantei dintre ele atunci pot fi explicate cele trei legi ale lui Kepler.

Newton a generalizat aceasta forta, considerand ca intre orice pereche de corpuri din univers se manifesta o forta de atractie de forma:

  (2)

unde si sunt masele celor doua corpuri, iar este distanta ce separa centrele lor. Aceasta relatie reprezinta legea lui Newton sau legea atractiei universale. Constanta K se numeste constanta atractiei universale, fiind aceeasi pentru toate perechile de corpuri ce se atrag. In SI valoarea sa masurata este:

  (3)

Datorita valorii mici a lui K, forta dintre doua corpuri de pe suprafata Pamantului este mica, determinarea ei experimentala fiind dificila. Atractia Pamantului este insa importanta, datorita masei mari a acestuia. Forta cu care Pamantul atrage un corp determina in principal greutatea acelui corp. Pentru un corp de masa m, situat la suprafata Pamantului, neglijand efectele rotatiei diurne a Pamantului, se poate scrie egalitatea dintre greutatea corpului si forta cu care Pamantul atrage corpul, numita forta gravitationala sau gravifica:

  (4)

de unde acceleratia gravitatiei , la suprafata Pamantului, este:

  (5)

Masurand pe si stiind ca raza Pamantului este aproximativ , se obtine masa a planetei noastre:

  (6)

Cand corpul de masa m se gaseste la altitudinea (inaltimea) h de suprafata Pamantului relatia (I.4) devine:

  (7)

unde reprezinta acceleratia gravitatiei la altitudinea h pentru care se obtine:

(8)

Aceasta relatie ne arata ca acceleratia gravitatiei scade cu altitudinea. Deci greutatea unui corp nu este de fapt constanta ci scade cu altitudinea. Totusi, pentru corpuri care cad pe Pamant de la o inaltime mult mai mica decat raza Pamantului, se poate considera acceleratia gravitatiei constanta in tot timpul caderii; .

Daca in fiecare punct dintr-o anumita regiune a spatiului se exercita o forta, spunem ca in acea regiune exista un camp de forte. Deoarece forta de atractie a Pamantului se exercita in fiecare punct in jurul sau, spunem ca Pamantul creeaza in jurul sau un camp de forte gravitationale sau, mai pe scurt, un camp gravitational sau gravific. Marimea fizica care caracterizeaza proprietatile campului gravitational se numeste intensitatea campului gravitational, data de relatia:

  (9)

unde reprezinta expresia vectoriala a fortei gravifice care actioneaza asupra unui corp de masa m aflat in campul gravitational al Pamantului, figura 2;

(10)

Se vede ca intensitatea are aceeasi expresie ca si acceleratia gravitatiei g, semnificatia sa fizica fiind insa alta: vectorul intensitate ne da forta cu care campul actioneaza asupra unitatii de masa.

Pamantul impreuna cu celelalte planete din sistemul solar nu este un grup de corpuri izolate, ci constituie un grup de corpuri care se atrag reciproc conform legii atractiei universale. Datorita acestei legi descoperita de Newton miscarile corpurilor din sistemul solar au putut fi cunoscute in intregime.

Daca anticii cunosteau numai cinci planete: Mercur, Venus, Marte, Jupiter si Saturn, acestea fiind planetele mai apropiate de Soare, odata cu dezvoltarea tehnicii de observatie, s-a putut descoperi planeta Uranus in anul 1781 de catre astronomul William Herschel (1732-1822).

In anul 1821 s-a incercat sa se intocmeasca noi tabele cu miscarea planetelor aplicand metodele mecanicii ceresti. Cu aceasta ocazie s-a constatat ca pentru planeta Uranus pozitiile calculate nu corespund cu pozitiile date de observatiile existente din ultimii 40 de ani. S-au ivit doua ipoteze: sau observatiile mai vechi nu erau suficient de precise sau exista o planeta necunoscuta care perturba miscarea lui Uranus datorita atractiei pe care o exercita acesteia. Intrucat nici observatiile efectuate atunci nu corespundeau calculelor, prima ipoteza a cazut. In felul acesta, pe cale teoretica, a fost descoperita planeta Neptun care nu putea fi observata din cauza departarii mari fata de Soare. Pozitia pe cer a planetei Neptun a fost calculata in 1846 de astronomii Adams si Le Verrier si observata in acelasi an de catre astronomul Galle de la Observatorul din Berlin.

Dupa descoperirea planetei Neptun, a fost posibila gasirea tot pe cale teoretica a celei de-a noua planeta din sistemul solar, planeta Pluto. Ea a fost descoperita prin calcul in anul 1915 si a putut fi fotografiata abia in anul 1930.

Acestea sunt planetele principale din sistemul solar si toate descriu orbite eliptice in jurul Soarelui, ele fiind situate in plane foarte putin inclinate fata de planul in care Pamantul se roteste.

In afara de Soare si planete, sistemul solar contine si satelitii planetelor, precum si multe mii de planete mici (asteroizi), ale caror orbite sunt cuprinse, cu rare exceptii, intre orbitele lui Marte si Jupiter, formand un inel in interiorul caruia asteroizii sunt distribuiti neuniform. Ei sunt de dimensiuni mici si pentru unii s-au putut determina diametrele. De exemplu, pentru Ceres s-a gasit 770 km, pentru Pallas 490 km, pentru Vesta 390 km, pentru Juno 190 km.

Alti membri care fac parte din familia Soarelui sunt cometele. Aceste corpuri ceresti, prin aparitia si aspectul lor, au uimit totdeauna omenirea si fac parte din grupul de obiecte ceresti despre care inca se cunosc putine lucruri. In momentul in care incepe sa fie vizibila, cometa are aspectul unei stele inconjurata de o pata cetoasa. Ea are o miscare printre stele, astfel incat poate fi usor detectata, iar pe masura ce se apropie de Soare stralucirea ei devine din ce in ce mai mare, incepand sa se distinga detaliile ce caracterizeaza cometa. Este vorba de capul cometei si de frumoasa ei coada luminoasa care se dezvolta in directia opusa Soarelui. Cometa Halley, de exemplu, se misca in jurul Soarelui pe o orbita eliptica cu perioada de 76-77 ani.

Exista comete care se misca pe orbite eliptice foarte turtite, astfel incat perioadele lor de rotatie ajung pana la milioane de ani. Din aceasta cauza, mult timp s-a crezut ca cometele sunt corpuri venite din afara sistemului solar.

Tot din sistemul solar fac parte si stelele cazatoare numite si perseide denumire data de oameni din cele mai vechi timpuri obiectelor ceresti ce apar la un moment dat sub forma unor stele care se misca rapid dupa care dispar. Anual, cad pe suprafata Pamantului aproximativ patru miliarde de "stele" avand uneori loc ploaie de stele cazatoare Acestea sunt corpuri din sistemul solar numite corpuri meteoritice, care se misca sub actiunea atractiei Soarelui pe orbite eliptice la fel ca planetele sau cometele.  

I.2 Mareele

Una dintre importantele influente pe care le sufera Pamantul din partea corpurilor apropiate, Luna si Soarele, este deformarea zilnica a formei Pamantului care se manifesta indeosebi prin fenomenul mareelor. Acestea se prezinta prin faptul ca nivelul apelor marilor si oceanelor nu este mereu acelasi, ci prezinta o crestere si o scadere periodica. Acest fenomen este determinat de fortele gravitationale dintre Pamant si Luna, respectiv dintre Pamant si Soare, atractia Lunii este, insa, preponderenta, deoarece ea este mai apropiata de Pamant.

Fenomenul mareelor deplaseaza apele, nivelul suprafetelor oceanelor variind cu 120-150 cm. Dar Pamantul nu este un corp absolut rigid si din aceasta cauza si invelisul solid prezinta astfel de deformari, bineinteles de amplitudine mai mica; suprafata Pamantului se deformeaza cu aproximativ 30 cm. Prin urmare, noi traim pe un suport care este in continua miscare, care nu este sesizata, insa, deoarece fenomenul este foarte lent.

Fenomenul mareelor terestre influenteaza miscarea de rotatie a Pamantului in jurul axei polilor; datorita frecarii ape cu tarmurile continentelor in timpul mareelor, energia de rotatie terestra se reduce conducand la o incetinire a rotatiei Pamantului. Aceasta incetinire este foarte lenta, chiar insensibila la nivelul zilelor si anilor. Insa in decursul timpului diferentele se cumuleaza, astfel incat intr-un secol perioada de rotatie a planetei noastre creste cu 1,6 ms. Acest fenomen duce la o marire a duratei zilelor, deci timpul masurat cu ajutorul rotatiei Pamantului este neuniform. Din acest motiv s-a definit un nou timp; timpul efemeridelor, care este uniform si cu ajutorul caruia se studiaza miscarea corpurilor ceresti. Pentru a obtine acest timp uniform, se foloseste timpul determinat cu ajutorul rotatiei Pamantului, care se corecteaza avand in vedere variatiile seculare ale rotatiei date de fenomenul mareelor.

Privind acest fenomen in timp, inseamna ca la inceputul existentei sistemului Pamant-Luna, viteza de rotatie a Pamantului era mult mai mare, durata zilelor era foarte scurta, iar distanta dintre cele doua corpuri era mai mica decat in prezent. In acest sens, s-a calculat ca cu 4,6 miliarde ani in urma (varsta sistemului Pamant-Luna), Pamantul se rotea atat de repede incat durata ciclului zi-noapte nu depasea 10 ore. Daca in prezent durata acestui ciclu este de aproximativ 24 ore, in viitor ar rezulta o crestere considerabila a duratei zilei, ea putand ajunge la durata unei luni. In plus Luna s-ar departa de noi la fiecare rotatie cu cate 8 mm, astfel incat intr-un interval mare de timp aceasta indepartare ar deveni considerabila.

Mareele se manifesta cel mai vizibil la suprafata Oceanului Planetar printr-o deformare a suprafetei apei de doua ori in 24 ore. Cele doua valuri ( cocoase flux si reflux, ale mareelor ajung la uscat cu oarecare intarziere fata de timpul calculat in mod teoretic. Aceasta deoarece, asa cum s-a mentionat anterior, mareea afecteaza si domeniul de sub scoarta, care este caracterizat printr-o alta stare de vascozitate decat cea a scoartei terestre consolidate si mai ales a apei. Starea de vascozitate de sub scoarta se apreciaza ca ar fi cauza franarii undei de flux mareic ajunsa la uscat, franare care depinde de structura geologica.

I.3 Alunecarile pe pante sub influenta gravitatiei

Mase enorme de zapada, gheata sau pamant care, ca urmare a unei rupturi bruste a echilibrului, se pun in miscare pe pantele inclinate sunt cunoscute sub numele de avalanse . Viteza de alunecare creste foarte repede in functie de inclinarea versantilor si datorita unei slabe rezistente la frecare.

I.3.1 Avalansele de zapada si de gheata se produc brusc in zonele montane, acolo unde zapada si gheata, in cantitati mari, persista vreme indelungata si unde prezenta pantelor si vailor usureaza alunecarea, datorita gravitatiei, pravalindu-se cu mare viteza si distrugand totul in calea lor. Zapada, depusa la baza pantei, provoaca mai departe, prin topire, scurgeri masive de apa. Prin actiunea lor dezastruoasa acestea au fost numite tavalugul alb sau teroarea alba

Aceste avalanse iau nastere in toate anotimpurile, mai rar toamna, pastrand anumite caracteristici dupa sezon. Factorii care genereaza avalansele de zapada si de gheata sunt atat naturali ca: grosimea stratului de zapada, starea ei (prafuita, uscata sau umeda), temperatura aerului, cantitatea de zapada cazuta, vanturile, relieful (pante accentuate, dispunerea versantilor, lungime si forma lor, prezenta vailor), gradul de impadurire, cat si antropici legati de actiunea omului prin despadurirea versantilor, sau schimbarile produse in structura arboretului.

Nasterea lor este determinata de cauze complexe:

zapada mai veche se acopera, dupa un timp, cu o pojghita de gheata. O noua depunere de zapada care se asterne deasupra celei vechi poate lesne aluneca la cea mai mica adiere de vant, rostogolirea unei pietre, o impuscatura, un zgomot cat de mic, fiecare putand contribui la ruperea echilibrului instabil. Acestea se numesc avalanse uscate;

cand intervine ninsoarea in timpul dezghetului apar avalansele umede.

Si cele uscate ca si cele umede se numesc generic avalanse de suprafata deoarece se pune in miscare numai stratul de zapada de la suprafata, sau avalanse prafoase, deoarece zapada antrenata se precipita prin rostogolire.

Avalansele formate din zapada compacta, grea si umeda se numesc avalanse de fund. Spre deosebire de avalansele de suprafata, acestea pun in miscare stratul de zapada in toata grosimea lui pana la roca, atunci cand aderenta acestuia de stratul stancos dispare. Ele antreneaza o mare cantitate de zapada (de deasupra) si de gheata (de dedesubt), formata prin tasari succesive a zapezii, avand ca atare o mare forta de distrugere.

Locul pe unde se scurg avalansele, atat cele de suprafata cat si cele de fund, se numeste culoarul avalansei, iar punctul de depunere la baza se numeste conul avalansei.

Coborand cu viteza de la locul de formare, distrug tot ce intalnesc in cale. In Carpatii nostri (Hasmas, Bucegi, Piatra Craiului, Fagaras, Parang, Retezat), ele n-au nici pe departe gradul de periculozitate ca in Alpi, unde au curmat viata a mii de oameni, iar pagubele cauzate ajung la milioane de euro.

I.3.2 Avalansele de pamant (alunecarile de teren) fac si ele parte din categoria deplasarilor pe versanti, dar de pamant. Ele au o mare raspandire acolo unde relieful prezinta pante mai mult sau mai putin inclinate, in zonele montane si colinare, pe malul apelor curgatoare, a lacurilor, pe tarmul marii, producandu-se pe spatii mult mai mari ca avalansele de zapada sau de gheata, dar nu peste tot cu acelasi grad de periculozitate. In alte cazuri, insa, se pun in miscare mase mari de roci antrenand nu numai straturile de suprafata dar si straturi mai adanci, uneori cu urmari foarte grele. Si unele si altele constituie avalansele de pamant sau alunecarile.

Caracterul dezastruos al acestor fenomene este determinat de cantitatea de materiale scurse pe versanti, viteza de deplasare si consistenta rocilor. Factorii care dau nastere la avalansele de pamant sunt foarte complexe. Cauze naturale: structura geologica, gradul de inclinare a pantelor, umezeala excesiva a solului prin ploi persistente sau topirea zapezilor, variatiile de nivel ale apelor curgatoare sau alterarea fizica si chimica a rocilor, care le slabesc coeziunea, presiunea hidrodinamica pe care o exercita apele subterane asupra versantilor, alternanta inghetului si dezghetului apei din roci, care le reduce consistenta, cutremurele, activitatea vulcanica. Un rol nu mai putin important il au si cauzele antropice, legate mai ales de despaduriri, exploziile artificiale, etc.

Urmarile avalanselor de pamant sunt grave, oricare ar fi cauzele care le produc. Pe langa victimele omenesti, distrug asezari, degradeaza solurile si terenurile cultivate, afecteaza vegetatia forestiera, drumurile, caile ferate, tuneluri si baraje, conducte subterane, blocari de vai creand lacuri artificiale (vezi lacul Rosu), prabusiri de faleze pe tarmul marii, colmatarea lacurilor de acumulare, distrugerea exploatarilor miniere, etc.

I.4 Prevenirea si combaterea avalanselor

I.4.1 Prevenirea si combaterea avalanselor de zapada si de gheata. Aceste probleme preocupa cu deosebire tarile unde avalansele sunt frecvente si unde turismul montan si sporturile de iarna sunt active. Din acest punct de vedere Elvetia este tara cel mai greu incercata, de aceea problemele prevenirii si combaterii lor se bucura de o atentie prioritara. In 1943, langa Davos, a fost creat Institutul federal pentru studiul zapezii si avalanselor". Specialistii acestui institut pun accentul pe cercetarea de detaliu a conditiilor meteorologice intre 1500 - 3000 m altitudine, unde se creeaza conditiile ce determina acumularea unor mai mari cantitati de zapada in anumite puncte, in functie de natura reliefului si frecventa vanturilor.

Se mai are in vedere studiul transformarilor pe care le sufera zapada de la caderea la sol pana in momentul declansarii alunecarii, caracteristicile ei fizico-chimice, care difera mult dupa felul zapezii, conditiile meteorologice in care se nasc si modul in care cade la sol, influenta factorilor externi asupra stratului de zapada si mai ales a celor determinati de pante.

O mare atentie se acorda urmarilor pe care le pot avea avalansele asupra constructiilor, vegetatiei, posibilitatile de aparare, de prevenire, elaborarea de harti zonale privind gradul de periculozitate a lor, aprecierea pagubelor produse si perfectionarea mijloacelor de salvare a oamenilor in caz de primejdie. Folosind o retea de statii permanente, amplasate in locurile periculoase, se fac observatii zilnice asupra starii zapezii si a vremii. Alte centre similare de studiu se gasesc in muntii Caucaz, in Franta, la Grenoble, unde este sediul "Centrului de cercetare a zapezii", in muntii Tatra, la statiunea de iarna Jasna.

Prevenirea avalanselor presupune eliminarea cauzelor care favorizeaza nasterea lor, avandu-se totodata in vedere micsorarea sau eliminarea urmarilor. Pentru aceasta se extind impaduririle pe versanti, pe culoarele de deplasare si in locurile din apropierea golurilor de munte, se construiesc baraje antizapada si parapete antiavalanse, garduri sau grilaje de fier, ziduri de deviere a canalului de scurgere sau de oprire pe curba de nivel, protectia constructiilor in zonele periculoase si constituirea echipelor de salvare.

I.4.2 Prevenirea si combaterea avalanselor de pamant. Alunecarile de teren sunt, in general, fenomene aproape totdeauna previzibile, prin semne precursoare cum ar fi aparitia crapaturilor in partea superioara a versantilor sau inclinarea arborilor. Conditia principala pentru prevenirea lor este legata de efectuarea cercetarilor de amanunt asupra naturii rocilor, caracteristicile mecanice ale terenului, factorii care contribuie la stabilitatea versantilor, conditiile climatice, studiul apelor superficiale si subterane, gradul de despadurire, etc.

In vederea cresterii potentialului productiv si pentru o mai buna folosire a pamantului, in tara noastra trebuie sa se acorde o atentie prioritara imbunatatirilor funciare in care se cuprind: extinderea constructiilor hidrotehnice, indiguirea zonelor inundabile, desecarea terenurilor agricole, combaterea eroziunii si a alunecarilor pe terenurile in panta. Pentru indeplinirea acestor obiective este necesar sa se reia Programul national privind imbunatatirile funciare elaborat inainte de 1989.