Κατασκευάζοντας ένα σεισμογράφο από άχρηστα υλικά Teach article

Μετάφραση από τον Παντελεήμονα Μπαζάνο (Panteleimon Bazanos). Γνωρίζετε ότι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα ηχεία από ένα παλιό στερεοφωνικό για να ανιχνεύσετε σεισμούς;…

Όλο τον καιρό σε ολόκληρο τον κόσμο γίνονται σεισμοί. Το 2011, οι σεισμοί που προκάλεσαν την καταστροφή της Fukushima στην Ιαπωνία, σκότωσαν χιλιάδες στην Τουρκία και κατέστρεψαν το Christchurch της Νέας Ζηλανδίας, έγιναν πρωτοσέλιδα εφημερίδων. Αλλά γνωρίζετε ότι το 2011 έγιναν επίσης σεισμοί στη Φιλανδία, στο Βέλγιο και στη Δημοκρατία της Τσεχίας;

Μερικοί σεισμοί μπορεί να είναι τόσο ασθενείς που να είναι πρακτικά ανεπαίσθητοι, παρόλα αυτά όμως μπορούν να καταγραφούν. Κάθε τρέμουλο της Γης παράγει διαφορετικούς τύπους δονήσεων ή σεισμικά κύματα, που ταξιδεύουν με διαφορετική ταχύτητα στο εσωτερικό της Γης. Αυτά τα κύματα μπορούν να ανιχνευτούν και να καταγραφούν από όργανα που λέγονται σεισμογράφοι, που συχνά βρίσκονται σε μεγάλες αποστάσεις από το σεισμό. Μετρώντας το χρόνο που χρειάζονται τα σεισμικά κύματα για να φτάσουν στους σεισμογράφους, καθώς και το πλάτος και τη διάρκεια των κυμάτων, μπορούμε να υπολογίσουμε το μέγεθος του σεισμού και να καθορίσουμε το επίκεντρό του.

Καταγράφοντας τοπικούς σεισμούς

Σεισμοί γίνονται κάθε μέρα στην Ελλάδα (εικόνα 1), καθώς βρίσκεται στα όρια δύο τεκτονικών πλατών. Η περιοχή της Μεσσηνίας, που βρίσκεται το σχολείο μας, έχει ιστορία από μεγάλους σεισμούς. Το 1886, ένας ισχυρός σεισμός μεγέθους 7.5 Richter χτύπησε τα Φιλιατρά^w1 (εικόνα 2). Ένα αιώνα αργότερα, η Καλαμάτα πλήγηκε από ένα άλλο δυνατό σεισμό^w2, μεγέθους 6.0 Richter αυτή τη φορά. Προβλέπεται ότι μέσα στα επόμενα 100 χρόνια, η Σπάρτη θα πληγεί από σεισμό^w3 εγέθους 7.0 Richter.

Για να ενθαρρύνω τους μαθητές μου να μάθουν για τους σεισμούς, εγκατέστησα στο σχολείο μας – το Γενικό Λύκειο Φιλιατρών , ένα εμπορικό, εκπαιδευτικό σεισμογράφο. Ο σεισμογράφος βασίζεται σε μια διάταξη τριών γεωφώνων – όργανα που αποκρίνονται στα σεισμικά κύματα και τα μετατρέπουν σε ηλεκτρικά σήματα. Κάθε ένα από τα τρία γεώφωνα καταγράφει κύματα στην κατακόρυφη, ανατολική – δυτική και βόρεια – νότια διεύθυνση. Ύστερα τα τρία σήματα επεξεργάζονται από υπολογιστή, επιτρέποντας τον υπολογισμό του μεγέθους και της απόστασης από το επίκεντρο του σεισμού. (εικόνα 3).

Κατασκευάζοντας ένα σεισμογράφο

Θέλησα επίσης να ενθαρρύνω του μαθητές μου να σκεφτούν σχετικά με την τεχνολογία που χρησιμοποιείται στην ανίχνευση και μέτρηση των σεισμών και να καταλάβουν τι κάνει κάθε στοιχείο, παρά να βλέπουν το σεισμογράφο σαν «μαύρο κουτί». Στο τέλος κατασκευάσαμε το δικό μας σεισμογράφο, με τον οποίο μπορούμε να ανιχνεύουμε τοπικούς σεισμούς, μέχρι 100 – 200 Km μακριά, ανάλογα με το μέγεθός τους.

Στην καρδιά κάθε σεισμογράφου είναι τα γεώφωνα. Αυτά μετατρέπουν τις δονήσεις του εδάφους σε ηλεκτρικά σήματα με τη βοήθεια ενός πηνίου που κινείται σχετικά με ένα μαγνήτη, παράγοντας ηλεκτρική τάση στις άκρες του πηνίου (νόμος Faraday; εικόνα 4). Για να κατασκευάσουμε το σεισμογράφο μας, χρησιμοποιήσαμε καθημερινή τεχνολογία για το γεώφωνο: Ένα ηχείο. Κανονικά, τα ηχεία λειτουργούν μετατρέποντας ηλεκτρικά σήματα σε σχετική κίνηση ενός πηνίου ως προς ένα μαγνήτη, πράγμα που κάνει τον κώνο να κινείται μέσα – έξω, δημιουργώντας δονήσεις: τα ηχητικά κύματα (εικόνα 5). Κάνοντάς τα να λειτουργούν αντίστροφα – μετατρέποντας τις δονήσεις σε ηλεκτρικά σήματα – μπορούν να λειτουργήσουν και σαν γεώφωνα.

Για να κατασκευάσουμε το γεώφωνό μας, χρησιμοποιήσαμε ένα «γούφερ» – ηχείο για χαμηλούς ήχους – επειδή τα γούφερ έχουν σχεδιαστεί να δουλεύουν καλά σε χαμηλές συχνότητες, και τα σεισμικά κύματα είναι δονήσεις χαμηλών συχνοτήτων. Για να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση των ηχητικών δονήσεων, αφαιρέσαμε τον κώνο του ηχείου.

Για να ολοκληρώσουμε το γεώφωνό μας (εικόνα 6), χρησιμοποιήσαμε επίσης μια μάζα, ένα ελατήριο και το καπάκι από ένα σπρέι. Η μάζα εξυπηρετεί στην αύξηση της αδράνειας, καθώς το πηνίο του ηχείου είναι πολύ ελαφρύ. Τοποθετώντας μια μάζα απ’ ευθείας επάνω στο πηνίο μπορεί να το καταστρέψει, έτσι χρησιμοποιήσαμε το ελατήριο για να την συγκρατήσουμε επιτρέποντας την ταλάντωση. Το καπάκι είναι για προστασία του πηνίου. Μετά συνδέσαμε το γεώφωνο γούφερ στην κάρτα ήχου του υπολογιστή και καταγράψαμε σήματα με το λογισμικό επεξεργασίας ήχου, δημιουργώντας ένα λειτουργικό σεισμογράφο.

Λεπτομερείς οδηγίες για την κατασκευή του σεισμογράφου μας μπορούν να μεταφορτωθούν από τον ιστοχώρο του Science in School^w6.

Τώρα είναι η σειρά σας

Αν σας ενδιαφέρει η καταγραφή και η έρευνα της σεισμικής δραστηριότητας στην τάξη, μπορείτε:

1. Να καταγράψετε και να αναλύσετε δεδομένα από υπάρχοντες σεισμογραφικούς σταθμούς^w7,w8.
2. Να χρησιμοποιήσετε ένα εμπορικό, εκπαιδευτικό σεισμογράφο.
3. Να κατασκευάσετε το δικό σας σεισμογράφο, χρησιμοποιώντας τις οδηγίες που μπορείτε να μεταφορτώσετε από εδώ^w6.
4. Να εκτελέσετε μερικά απλά πειράματα για να προσομοιώσετε και να διερευνήσετε τη φυσική των σεισμών.

Για να καταγράψετε σεισμούς είτε με εμπορικό είτε με αυτοσχέδιο σεισμογράφο, πρέπει να είστε σχετικά κοντά στα επίκεντρά τους. Ο αυτοσχέδιος σεισμογράφος μας ανιχνεύει σεισμούς μέχρι 100 – 200 Km μακριά^w9, ανάλογα με το μέγεθός τους. Με τον εμπορικό μας σεισμογράφο^w10, έχουμε ανιχνεύσει σεισμούς 4 Richter από 500 Km μακριά.

Οι επιλογές 1 και 4 έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι εφικτές ακόμα και σε περιοχές με πολύ μικρή σεισμική δραστηριότητα.

Αναζητώντας σεισμούς

Το πηνίο του αυτοσχέδιου σεισμογράφου είναι πολύ ευαίσθητο, έτσι το γεώφωνο πρέπει να μεταχειρίζεται με πολύ μεγάλη προσοχή. Για καλύτερες μετρήσεις, εγκαταστήστε το σεισμογράφο κάπου ήσυχα και χωρίς δονήσεις, ίσως στο υπόγειο του σχολείου. Ωστόσο, για να κεντρίσω το ενδιαφέρον των μαθητών μου για συμμετοχή, εγκατέστησα το δικό μου στην τάξη.

Αφού εγκαταστήσετε το σεισμογράφο σας, κάνετε συνεχή καταγραφή για μια – δυο μέρες και αποθηκεύτε τα δεδομένα σε ένα αρχείο. Πριν όμως ψάξετε για σεισμούς στα δεδομένα, πρέπει να τα επεξεργαστείτε λίγο. Οι ακριβείς λεπτομέρειες της επεξεργασίας εξαρτώνται από το λογιστικό που χρησιμοποιείτε, παρόλα αυτά όμως είναι απλές.

1. Απομακρύνετε την μετατόπιση συνεχούς (DC offset), για να απαλειφθεί η συνεισφορά του συνεχούς ρεύματος στο σήμα.
2. Ενισχύστε τις χαμηλές συχνότητες (κάτω από τα 100 Hz). Αυτή είναι και η περιοχή στην οποία θα ανιχνεύσετε τους σεισμούς.
3. Απομακρύνετε το θόρυβο υποβάθρου (θερμικός θόρυβος, ηλεκτρονικός θόρυβος, κλπ.) για να καθαρίσει το σήμα.
4. Τέλος, μπορείτε να αναζητήσετε στα δεδομένα χαρακτηριστικά σήματα που υποδηλώνουν σεισμούς.

Δεν είναι σεισμοί όλα τα σήματα που καταγράφονται από τους σεισμογράφους. Άλλες περισσότερο τοπικές πηγές θορύβου, όπως κυκλοφορία οχημάτων, άνεμος, εκρήξεις, άνοιγμα και κλείσιμο πορτών, μπορούν να προκαλέσουν σύγχυση. Οι σεισμοί έχουν συχνά ένα χαρακτηριστικό σήμα. Μια μικρή κυματομορφή που την ακολουθεί μια μεγάλη κυματομορφή (εικόνα 3). Επειδή όμως αυτό δεν ισχύει πάντα, ίσως εσείς και οι μαθητές σας να είστε μερικές φορές αβέβαιοι αν έχετε πραγματικά ανιχνεύσει σεισμό. Ο μόνος τρόπος για να βεβαιωθείτε, είναι να κάνετε ότι κάνουν και οι επαγγελματίες σεισμολόγοι, δηλαδή να συγκρίνετε τα δεδομένα σας με τις καταγραφές που έχουν κάνει άλλοι σεισμογραφικοί σταθμοί^w7,w8.

Αφού σιγουρευτήτε ότι ανιχνεύσατε σεισμό, μπορείτε να υπολογίσετε το μέγεθός του (στην κλίμακα Richter) και την απόστασή σας από το επίκεντρο (εικόνα 7). Για να τα κάνετε, χρειάζεστε μόνο τρεις μετρήσεις: Τον χρόνο άφιξης (σε δευτερόλεπτα) των κυμάτων P και S και τον χρόνο λήξης των δονήσεων (εικόνα 3). Για περισσότερες πληροφορίες μεταφορτώστε τις οδηγίες από τον ιστοχώρο του Science in School website^w6.
 

Πειράματα δονήσεων με ηχεία υπολογιστών

Επίσης επινόησα μερικά πειράματα για να προσομοιάσω μερικά ζητήματα σχετικά με τους σεισμούς και τα σήματα που παράγουν – για παράδειγμα, τη μείωση της ενέργειας που μεταφέρουν οι σεισμοί καθώς περνούν μέσα από διάφορα υλικά.

Για να το κάνουμε, χρησιμοποιήσαμε ηχεία και υπολογιστή με κάρτα ήχου και λογισμικό επεξεργασίας ήχου, όπως και πριν. Αλλά στη θέση των γεωφώνων μπορείτε να χρησιμοποιήσετε παλιά ηχεία υπολογιστών (χωρίς τον κώνο), τα οποία μπορούν να μετακινούνται όπως χρειάζεται για την εκτέλεση των πειραμάτων (εικόνα 8). Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε γούφερ των 100W / 8Ω, όπως και στην κατασκευή του σεισμογράφου ή ηχεία υπολογιστών των 3W / 8Ω και επιπλέον το πρόγραμμα επεξεργασίας ήχου Audacity^w11. Για λεπτομέρειες, δείτε τα βήματα 1, 8 και 9 στις οδηγίες που είναι διαθέσιμες για μεταφόρτωση^w6.

Τα πειράματα αναφέρονται σε πτώση σφαιριδίων από διαφορετικό ύψος (που παριστάνουν διαφορετική ενέργεια) σε διαφορετική απόσταση από τους ανιχνευτές (τα ηχεία), πάνω σε επιφάνειες σκληρών υλικών.

Όταν το σφαιρίδιο χτυπά σε σκληρή επιφάνεια, παράγονται δονήσεις που διαδίδονται διαμέσου του υλικού – όπως ένας σεισμός παράγει σεισμικά κύματα που διαδίδονται διαμέσου της Γης.

Πείραμα 1: Η ισχύς του σεισμού

Η δραστηριότητα αυτή δείχνει τη σχέση μεταξύ ισχύος σεισμού και κίνησης εδάφους. Προκαλέσαμε δονήσεις σε ένα κομμάτι μάρμαρο (ή ξύλο, πλαστικό ή ακόμα και στο έδαφος) αφήνοντας να πέσει μια μπίλια από ποντίκι υπολογιστή από διαφορετικό ύψος κάθε φορά, παράγοντας κούνημα με διαφορετική ισχύ. Το εύρος του σήματος εξαρτάται από την ισχύ του τραντάγματος.

1. Στήστε τη διάταξη όπως φαίνεται στην εικόνα 9Α.
2. Ρίξτε τη μπίλια από διαφορετικό ύψος και καταγράψτε το εύρος του σήματος (εικόνα 10) στον πίνακα 1. Δεν έχει σημασία η απόσταση από το ηχείο που πέφτει η μπίλια, αλλά σιγουρευτείτε ότι πέφτει από το ίδιο ύψος κάθε φορά.

3. Κάνετε τη γραφική παράσταση του εύρους σε συνάρτηση του ύψους.
4. Συζητήστε τη γραφική παράσταση. Οι μαθητές σας θα πρέπει να συμπεράνουν ότι όσο περισσότερη ενέργεια ελευθερώνεται, τόσο περισσότερο δονείται το έδαφος.

Πείραμα 2: Η εξασθένηση της ενέργειας

Αυτή η δραστηριότητα δείχνει την εξασθένηση (μείωση) της ενέργειας, καθώς τα σεισμικά κύματα διαδίδονται μέσα από το φλοιό της Γης. Δημιουργήσαμε δονήσεις αφήνοντας μια μπάλα σφαιροβολίας 4 Kg, να πέσει στο έδαφος από το ίδιο ύψος, αλλά σε διαφορετική απόσταση από το γεώφωνο γούφερ ή το ηχείο κάθε φορά. Καθώς τα κύματα ταξιδεύουν, χάνουν ενέργεια και το έδαφος δονείται λιγότερο. Αυτό ανακλάται στο εύρος των σημάτων.

1. Στήστε τη διάταξη όπως φαίνεται στην εικόνα 9A.
2. Σημειώστε 5 σημεία στο έδαφος που απέχουν κατά 1 m μακρύτερα κάθε φορά από το γεώφωνο γούφερ ή το ηχείο.
3. Αφήστε τη σφαίρα να πέσει από το ίδιο ύψος (π.χ 1 m) στο έδαφος σε κάθε σημειωμένο σημείο και καταγράψτε τα αποτελέσματα (εικόνα 11) στον πίνακα 2.

4. Κάνετε ξανά τη γραφική παράσταση του εύρους σε συνάρτηση της απόστασης.
5. Συζητήστε τη γραφική παράσταση. Οι μαθητές σας θα πρέπει να συμπεράνουν ότι όσο μακρύτερα γίνεται ο «σεισμός», τόσο λιγότερο δονείται το έδαφος.

Πείραμα 3: Η ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων σε διαφορετικά υλικά

Σε αυτή τη δραστηριότητα, εξερευνούμε την ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων σε διαφορετικά υλικά. Καθώς τα σεισμικά κύματα διαδίδονται διαμέσου της Γης, η ταχύτητά τους μεταβάλλεται ανάλογα με τη σύσταση των πετρωμάτων που συναντούν. Αυτό το γεγονός παρέχει στους σεισμολόγους και στους γεωλόγους σπουδαίες πληροφορίες για το εσωτερικό της Γης. Εδώ, εξερευνούμε το πόσο γρήγορα οι δονήσεις διαδίδονται μέσα σε διαφορετικά στερεά υλικά.

Χρησιμοποιήσαμε ξύλο, σίδερο και μάρμαρο, αλλά οποιοδήποτε σκληρό στερεό υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Απλά βεβαιωθείτε ότι τα υλικά που έχετε διαθέσιμα είναι κατάλληλα ως προς το μέγεθός τους για τη δραστηριότητα.

1. Στήστε τη διάταξη όπως φαίνεται στην εικόνα 9Β.
2. Ρίξτε μια μπίλια από ποντίκι υπολογιστή (ή κάποιο άλλο κατάλληλο αντικείμενο) πάνω στο πρώτο στερεό υλικό κοντά στο ένα ηχείο, αλλά όχι μεταξύ των ηχείων. Καταγράψτε τους χρόνους που χρειάζεται το σήμα να φτάσει σε κάθε ένα ηχείο (t1, t2).
3. Επαναλάβατε το ίδιο με τα άλλα υλικά και εισάγετε τα αποτελέσματα στον πίνακα 3. Υπολογίστε την ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων χρησιμοποιώντας τον τύπο: v = x / (t2-t1).

4. Συζητήστε τα αποτελέσματα. Σε ποιο υλικό τα κύματα διαδίδονται γρηγορότερα;