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Aufgabe C — Erdbebenwellen

Erdbeben fordern immer wieder Menschenleben und zerstören Infrastruktur. Mithilfe von Seismometern können Daten über Erdbebenwellen gewonnen werden, mit denen sich Schlussfolgerungen über den Entstehungsort und die Stärke des Erdbebens ziehen lassen.

Mithilfe von Sensoren lassen sich auch die Schwingungen von Bauwerken nachweisen, die sie infolge von Erdbebenstößen ausführen.

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Bei Erdbebenwellen werden unter anderem Longitudinalwellen und Transversalwellen unterschieden.

a

Beschreibe den Unterschied dieser beiden Wellenarten.

2 BE

b

Erdbebenwellen können auch in großer Entfernung von ihrem Entstehungsort nachgewiesen werden.

Erläutere unter Berücksichtigung der Modellvorstellungen in Material 1 die Ausbreitung einer Erdbebenwelle in die in Abbildung 1 dargestellte Richtung.

5 BE

2
a

Ermittle mithilfe der im Material 2 angegeben Gleichung die Entfernung Formula: sFormula: s zwischen dem Entstehungsort des Erdbebens und dem Seismometer.

3 BE

b

Leite diese Gleichung her.

4 BE

3

P- und S-Wellen können Gebäude, z. B. Hochhäuser, zum Schwingen anregen. Um Gefahren für Mensch und Bauwerk zu vermeiden, müssen diese Schwingungen sorgfältig überwacht werden. In Material 3 ist ein vereinfachtes Messprinzip vorgestellt, mit dem die Schwingungen eines Gebäudes erfasst werden können.

a

Der Schwingungsvorgang im Material 3 Abbildung 4 kann mit der Gleichung Formula: s(t) = s_{\mathrm{max}} \cdot \sin(\omega \cdot t)Formula: s(t) = s_{\mathrm{max}} \cdot \sin(\omega \cdot t) beschrieben werden.

Ermittle aus der Abbildung die Werte für Formula: s_{\mathrm{max}}Formula: s_{\mathrm{max}} und Formula: \omega.Formula: \omega.

5 BE

b

Ermittle die Geschwindigkeit, die das Massestück zum Zeitpunkt Formula: t = 0\;\mathrm{s}Formula: t = 0\;\mathrm{s} besitzt.

4 BE

4

Bei den meisten modernen Seismometern werden die Schwingungen des Massestücks in elektrische Schwingungen umgewandelt. In dieser Form lassen sich die gemessenen Signale besser weiterverarbeiten.

Plane eine Erweiterung des Modellexperiments in Abbildung 3 im Material 3, mit der es möglich ist, die mechanischen Schwingungen des Massestücks in elektrische Schwingungen umzuwandeln. Erläutere hierzu den Versuchsaufbau und die Umwandlung der Größen.

4 BE

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Die japanische Eisenbahngesellschaft East Japan Railway Co. bremst ihre Züge automatisch ab, wenn im betreffenden Gebiet Erdbeben ab einer bestimmten Intensität auftreten. Durch zwei Maßnahmen soll das System verbessert werden, siehe Material 4.

Beurteile qualitativ die Konsequenzen der beiden Maßnahmen für die Fahrgäste. Gehe dabei auch auf den Zweck der Maßnahmen und den Abstand zwischen dem Entstehungsort des Erdbebens und der Bahnstrecke ein.

3 BE

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