Форма и размеры Земли

ВВЕДЕНИЕ

Структуру и содержание учебного пособия определили программа, общий лимит времени, который отводится на дисциплину «Инженерная геодезия» на инженерно-строительном факультете (порядка 100 часов), принятая лекционно-практическая форма обучения.

Лекционно-практический метод предусматривает такую форму обучения, когда положения теории во всех необходимых случаях сразу же закрепляются практическими упражнениями – решением задач, выполнением работ. При этом, в зависимости от содержания темы, решение отдельных задач выполняется преподавателем. Соответственно в тексте приведены рекомендуемые задачи. В других случаях после законченного изложения теории вопроса практическая часть приводится в конце параграфа. Здесь предусматривается самостоятельная работа студентов, но с помощью и под контролем преподавателя.

Комплексное освоение материала курса осуществляется при самостоятельном выполнении студентами расчетно-графических работ.

Общая форма Земли, как материального тела, определяется действием внутренних и внешних сил на ее частицы. Если бы Земля была неподвижным однородным телом и подвергалась действию только внутренних сил тяготения, она имела бы форму шара. Действие центробежной силы, вызванной вращением Земли вокруг ее оси, определяет сплюснутость Земли у полюсов. Под воздействием внутренних и внешних сил физическая (топографическая) поверхность Земли образует фигуру неправильной, сложной формы. Одновременно на физической поверхности Земли встречаются самые различные неровности: горы, хребты, долины, котловины и т. д. Описать такую фигуру при помощи каких-либо аналитических зависимостей невозможно. В то же время для решения геодезических задач в конечном виде необходимо основываться на определенной математически строгой фигуре – только тогда возможно получение расчетных формул. Исходя из этого задачу по определению формы и размеров Земли принято делить на две части:

1) установление формы и размеров некоторой типичной фигуры, представляющей Землю в общем виде;

2) изучение отступлений физической поверхности Земли от этой типичной фигуры.

Известно, что 71 % земной поверхности покрывают моря и океаны, суши – только 29 %. Поверхность же морей и океанов характерна тем, что она в любой точке перпендикулярна к отвесной линии, т.е. направлению действия силы тяжести (если вода находится в спокойном состоянии). Направление действия силы тяжести можно установить в любой точке и соответственно построить поверхность, перпендикулярную к направлению этой силы. Замкнутая поверхность, которая в любой точке перпендикулярна к направлению действия силы тяжести, т.е. перпендикулярна к отвесной линии, называется уровенной поверхностью.

Уровенная поверхность, совпадающая со средним уровнем воды в морях и океанах в их спокойном состоянии и мысленно продолженная под материками, называется основной (исходной, нулевой) уровенной поверхностью. В геодезии за общую фигуру Земли принимают фигуру, ограниченную основной уровенной поверхностью, и такую фигуру именуют геоидом (рис. 1).

Рис. 1	Рис. 2

Вследствие особой сложности, геометрической неправильности геоида, его заменяют другой фигурой – эллипсоидом, образующимся при вращении эллипса вокруг его малой оси РР ₁(рис. 2). Размеры эллипсоида определялись неоднократно учеными ряда стран. В Российской Федерации они были вычислены под руководством профессора Ф.Н. Красовского в 1940 г. и в 1946 г. постановлением Совета Министров СССР были утверждены: большая полуось а = 6 378 245 м, малая полуось b = 6 356 863 м, сжатие

.

Земной эллипсоид ориентируют в теле Земли так, чтобы его поверхность в наибольшей мере соответствовала поверхности геоида. Эллипсоид с определенными размерами и определенным образом ориентированный в теле Земли называется референц-эллипсоидом (сфероидом).

Наибольшие отклонения геоида от сфероида составляют 100–150 м. В тех случаях, когда при решении практических задач фигуру Земли принимают за шар, радиус шара, равновеликого по объему эллипсоиду Красовского, составляет R = 6 371 110 м = 6371,11 км.

Рис. 3

При решении практических задач в качестве типичной фигуры Земли принимают сфероид или шар, а для небольших участков кривизну Земли вообще не учитывают. Такие отступления целесообразны, так как упрощается проведение геодезических работ. Но эти отступления приводят к искажениям при отображении физической поверхности Земли тем методом, который принято именовать в геодезии методом проекций.

Метод проекций при составлении карт и планов заключается в том, что точки физической поверхности Земли А, В и так далее проектируются отвесными линиями на уровенную поверхность (см. рис. 3, а, б). Точки а, b и так далее называются горизонтальными проекциями соответствующих точек физической поверхности. Затем определяется положение этих точек на уровенной поверхности с помощью различных систем координат, и тогда их можно нанести на лист бумаги, т. е. на лист бумаги будет нанесен отрезок ab, который является горизонтальной проекцией отрезка AВ. Но, чтобы по горизонтальной проекции определить действительное значение отрезка AВ, необходимо знать длины аА и bВ (см. рис. 3, б), т.е. расстояния от точек A и В до уровенной поверхности. Эти расстояния называются абсолютными высотами точек местности.

Таким образом, задача составления карт и планов распадается на две:

определение положения горизонтальных проекций точек;

определение высот точек местности.

При проектировании точек на плоскость, а не на уровенную поверхность, появляются искажения: вместо отрезка ab будет отрезок а'b' вместо высот точек местности аА и bВ будут а'А и b'В (см. рис. 3, а, б).

Итак, длины горизонтальных проекций отрезков и высоты точек будут различны и при проектировании на уровенную поверхность, т.е. при учете кривизны Земли, и при проектировании на плоскость, когда кривизна Земли не учитывается (рис. 4). Эти различия будут наблюдаться в длинах проекций D S = t – S, в высотах точек D h = b'О – bО = b'О – R.

Задача в отношении учета кривизны Земли сводится к следующему: принимая Землю за шар с радиусом R,необходимо определить, для какого наибольшего значения отрезка S можно не учитывать кривизну Земли при условии, что в настоящее время относительная погрешность считается допустимой при самых точных измерениях расстояний ( – 1 см на 10 км). Искажение по длине составит
D S = t – S = R tga – R a = R (tga – a). Но, так как S мало по сравнению с радиусом Земли R, то для малого угла можно принять . Тогда . Ho и тогда . Соответственно и км (с округлением до 1 км).

Рис. 4

Следовательно, участок сферической поверхности Земли диаметром в 20 км можно принимать за плоскость, т.е. кривизну Земли в пределах такого участка, исходя из погрешности , можно не учитывать.

Искажение в высоте точки D h = b'О – bО = R seca – R = R (seca – 1). Принимая , получаем
. При разных значениях S получаем:

S, км:	0,1;	0,2;	0,3;	1;	10;
D h, см:	0,1;	0,3;	0,7;	7,8;	784.

В инженерно-геодезических работах допускаемая погрешность обычно составляет не более 5 см на 1 км, и поэтому кривизну Земли следует учитывать при сравнительно небольших расстояниях между точками, порядка 0,8 м.

Дата добавления: 2015-06-30