Jak zbudować sejsmograf z odpadów Teach article

Tłumaczenie Katarzyna Badura. Czy wiedziałeś, że możesz wykorzystać stare głośniki wieży hi-fi żeby wykryć trzęsienia ziemi? Co więcej, żeby przeprowadzić kilka prostych eksperymentów związanych z trzęsieniem ziemi w klasie? Oto jak możesz to zrobić.

Trzęsienia ziemi pojawiają się na całej ziemi przez cały czas. W 2011 roku w ich wyniku doszło do tragedii w japońskiej Fukushimie, tysiące ludzi zginęło w Turcji a w Nowej Zelandii nagłówki krzyczały o mieście Christchurch, które legło w gruzach. O tych kataklizmach informowały nas prasowe nagłówki, czy jednak wiedziałeś, że trzęsienia ziemi miały również miejsce w Finlandii, Belgii i Czechach?

Niektóre trzęsienia ziemi bywają tak delikatne, że wręcz pozostają niezauważalne, wciąż jednak istnieje możliwość ich zarejestrowania. Każde drżenie wywołuje inny rodzaj wibracji lub faj sejsmicznych, które przemieszczają się przez wnętrze Ziemi z różnymi prędkościami. Takie fale mogą być wykrywane i rejestrowane przez instrumenty zwale sejsmografami, które często zlokalizowane są w dość sporych odległościach od trzęsień. Mierząc czas, jaki fala potrzebuje na dotarcie do sejsmografu, jak również rejestrując amplitudę i długość fali jesteśmy w stanie obliczyć wielkość trzęsienia ziemi i znaleźć jego epicentrum.

Monitorowanie lokalnych trzęsień ziemi

Trzęsienia ziemi stanowią w Grecji, umieszczonej na granicy dwóch płyt tektonicznych, chleb powszedni (ryc. 1). Dzielnica Messinia, w której znajduje się nasza szkoła, ma długą historię wielkich trzęsień ziemi. W 1886 roku trzęsienie ziemi o sile 7,5 stopni w skali Richtera nawiedziło Filiatra^w1 (ryc. 2). Wiek później, obszar, Kalamata został nawiedzony przez kolejne silne trzęsienie^w2o mocy 6.0 stopni. W czasie najbliższych 100 lat przewiduje się, że Sparta doświadczy trzęsienia ziemi^w3 o mocy przynajmniej 7.0 stopni.

Żeby zachęcić moich uczniów do nauki o trzęsieniach ziemi, zakupiłem i skonfigurowałem handlowy, edukacyjny sejsmograf w naszej szkole (ryc. 3 i 4), liceum ogólnokształcącym Filiatra. Sejsmograf opiera się na macierzy trzech geofonów – urządzeń, które reagują na fale sejsmiczne i konwertują je na sygnały elektryczne. Każdy z trzech geofonów monitoruje fale w trzech kierunkach – w górę i w dół, wschód-zachód lub północ-południe. Te trzy sygnały są następnie przetwarzane przez komputer, dzięki czemu można obliczyć wielkość trzęsienia ziemi i odległości od epicentrum (ryc. 3).

Zbudować sejsmograf

Chciałem również zachęcić studentów do tego, by pomyśleli o technologii wykorzystywanej do wykrywania i pomiarów związanych z trzęsieniami o ziemi jak również do zrozumienia za co każdy element aparatu jest odpowiedzialny, głównie po to, by uniknąć postrzegania sejsmografu jako “czarnej skrzynki”. Ostatecznie zbudowaliśmy własny sejsmograf, dzięki któremu jesteśmy w stanie wykrywać lokalne trzęsienia ziemi – oddalone od miejsca pomiaru o 100-200 km, zależnie od ich siły.

Sercem każdego sejsmografu jest geofon. To on konwertuje wibracje w sygnały elektryczne wykorzystując cewkę, poruszającą się względem magnesu, który prowadzi do wytworzenia napięcia elektrycznego na końcu cewki (prawo Faraday’a; rycina 4). Żeby zbudować nasz sejsmograf, wykorzystaliśmy codzienną technologię by uzyskać geofon, mianowicie głośnik. Zazwyczaj głośniki działają poprzez konwersję sygnału elektrycznego w specyficzny ruch cewki i magnesu, co powoduje ruch stożka, tym samym generując wibracje: fale dźwiękowe (rycina 5). Odwracając sposób ich działania, a więc zamieniając wibracje w sygnały elektryczne – mogą one pełnić funkcje geofonów.

Żeby zbudować geofon wykorzystaliśmy głośnik typu 'woofer' – głośnik niskotonowy – ponieważ jest on dobrze dostosowany do pracy na niskiej częstotliwości, a fale sejsmiczne są właśnie wibracjami o niskiej częstotliwości. Żeby zminimalizować wpływ wibracji dźwiękowych, usunęliśmy z głośnika cewkę.

Do ukończenia naszego geofonu (rycina 6) wykorzystaliśmy również ciężarek, sprężynę i pokrywkę ze spray’u. Ciężarek służy do zwiększenia inercji, jako że cewka głośnika sama w sobie jest dość lekka. Ponieważ umieszczenie ciężarka dokładnie na cewce zniszczyłoby ją, użyliśmy sprężynki, utrzymującej ciężarek ponad cewką i pozwalającej na jego oscylację. Pokrywa chroniła cewkę. W kolejnym kroku podpięliśmy nasz woofer’owy geofon do gniazda karty dźwiękowej w komputerze i nagraliśmy sygnały wykorzystując oprogramowanie do edycji dźwięku, tworząc tym samym działający sejsmograf.

Szczegółową iinstrukcję jak zbudować sejsmograf można ściągnąć ze strony internetowej Science in School^w6.

Teraz twoja kolej

Jeśli chciałbyś monitorować i badać sejsmiczną aktywność w klasie, mógłbyś:

1. Monitorować i analizować informacje pobrane z istniejących stacji sejsmograficznych^w7,w8.
2. Użyć handlowego sejsmografu edukacyjnego.
3. Skonstruować swój własny sejsmograf, wykorzystując do tego instrukcję podaną poniżej do ściagnięcia^w6.
4. Przeprowadzić kilka prostych eksperymentów w celu symulacji i zbadania fizycznych aspektów trzęsienia ziemi.

Żeby zarejestrować trzęsienia ziemi z wykorzystaniem sejsmografu handlowego lub domowej roboty, będziesz musiał znajdować się możliwie blisko ich epicentrum. Zbudowany przez nas sejsmograf wykrył trzęsienia ziemi, które miały miejsce w odległości 100-200km^w9, w zależności od ich siły. Korzystając z sejsmografu handlowego^w10, udało nam się wykryć trzęsienia o sile 4.0 stopni w skali Richtera mające miejsce w odległości 500km od miejsca pomiaru.

Opcje 1 i 4, mają tę zaletę, że można je wykorzystać nawet w regionach o bardzo małej aktywności sejsmicznej.

W poszukiwaniu trzęsień ziemi

Cewka wykonanego w domu sejsmografu jest bardzo czuła, dlatego też należy się niezwykle delikatnie obchodzić z geofonem. W celu wykonania jak najlepszych pomiarów ustaw sejsmograf w miejscu spokojnym, wolnym od wibracji, np. w szkolnej piwnicy. Żeby zachęcić studentów do udziału w tym przedsięwzięciu ustawiłem swój w klasie.

Gdy już ustawisz swój sejsmograf, pozwól mu przez okres jednego lub dwóch dni na ciągłą rejestrację, po czym zapisz uzyskane dane w pliku. Zanim będziesz mógł rozpocząć poszukiwanie trzęsienia ziemi w zebranych danych, musisz dokonać swego rodzaju obróbki. Bliższe szczegóły tej obróbki zależą od rodzaju oprogramowania, które masz zamiar wykorzystać, ale mimo to nie powinno to być zbyt skomplikowane.

1. Usuń wszelkie znajdujące się blisko generatory prądu stałego po to, by wyeliminować udział jakiegokolwiek prądu stałego w rejestrowanym sygnale.
2. Wzmocnij niskie częstotliwości (poniżej 100 Hz). To jest zakres, w którym wykryjesz trzęsienie ziemi.
3. Usuń “hałas” tła (dźwięki termiczne, elektroniczne, etc) żeby oczyścić sygnał.
4. Zaraz po tym możesz rozpocząć przeszukiwanie danych w poszukiwaniu wzorców wskazujących na trzęsienie ziemi.

Nie wszystkie sygnały zarejestrowane przez sejsmograf są efektem trzęsienia ziemi. Niektóre z nich, pochodzące ze źródeł bardziej lokalnych, takich jak odgłosy komunikacji miejskiej, wiatr, eksplozje, otwieranie i zamykanie drzwi mogą sprawiać mylne wrażenie. Trzęsienia ziemi bardzo często przebiegają zgodnie ze wzorem: małe faliste wzniesienie za którym pojawia się drugie – znacznie większe (zobacz rycinę 3). Ponieważ nie jest to regułą, możesz czasami wraz ze studentami nie być pewny, czy rzeczywiście zauważyłeś sejsmograficzne oznaki trzęsienia ziemi. Żeby nabyć ostatecznej pewności należy zrobić to, co robią zawodowi sejsmolodzy, a mianowicie porównać dane ze swoich nagrań z danymi innych stacji sejsmograficznych^w7,w8.

Gdy jesteś już pewny, że to co odkryłeś jest trzęsieniem ziemi możesz wyliczyć jego moc (w stali Richtera) i odległość siebie od epicentrum (rycina 7). W tym celu potrzebne ci są jedynie trzy dane pomiarowe: czas pojawienia się fal P i S (w sekundach), oraz czas ustania wibracji (popatrz na rycinę 3). Dla uzyskania większej ilości szczegółów pobierz instrukcję znajdującą się na stronie internetowej Science in School^w6.

Eksperymenty na wibracjach z wykorzystaniem komputerowych głośników

Wymyśliłem również kilka eksperymentów żeby zasymulować kilka form trzęsienia ziemi i typów sygnałów jakie produkują – np. w jaki sposób spada energia trzęsienia ziemi w zależności od tego przez jakie materiały ono przechodzi.

Żeby to zrobić, wykorzystaliśmy głośniki oraz komputer wyposażony w kartę dźwiękową oraz, podobnie jak wcześniej, oprogramowanie do obróbki audio. Zamiast geofonów możesz wykorzystać stare głośniki (znowu z usuniętą cewką), które można wedle potrzeb eksperymentu przemieszczać (rycina 8). Możesz używać głośników niskotonowych o parametrach 100W / 8Ω, tak jak do konstrukcji sejsmografu, bądź też głośników komputerowych 3W / 8Ω, korzystając przy tym z oprogramowania Audacity^w11. Dla uzyskania większej ilości szczegółów zerknij na kroki 1, 8 i 9 w możliwej do pobrania instrukcji^w6.

Eksperyment polegał na spuszczaniu piłek z różnych wysokości (reprezentujących różne energie) w różnych odległościach od detektora (w tym wypadku głośnika), na podłoże wykonane z różnego typu stałych materiałów.

Kiedy piłka uderza o powierzchnię stałą, produkuje wibracje, które przemieszczają się przez materię stałą – dokładnie tak, jak trzęsienie ziemi produkujące fale przepływające przez ziemię.

Eksperyment 1: Siła wstrząsu

To ćwiczenie pokazuje związek pomiędzy siłą trzęsienia ziemi i ruchami gruntu. Wywołaliśmy wibracje na kawałku marmuru (może być też kawałek drewna, plastiku, a nawet gruntu) puszczając kulkę (wyjętą z myszki komputerowej) z różnych wysokości, produkując tym samym różne siły trzęsień gruntu. Amplituda sygnału jest zależna od mocy wstrząsu.

1. Ustaw zestaw tak jak przedstawiono na rycinie 9A.
2. Puszczaj kulkę z różnych wysokości, zapisując amplitudę sygnału (rycina 10) w tabeli 1. Generalnie nie jest ważne w jakiej odległości od głośnika spuszczasz kulkę, jednak zwróć uwagę na to, by spuszczać ją zawsze w ten sam punkt.

3. Narysuj wykres zależności amplitudy od wysokości.
4. Omów wykres. Twoi uczniowie powinni zauważyć, że im więcej energii jest uwalnianej tym mocniej ziemia wibruje.

Eksperyment 2: Tłumienie energii

To ćwiczenie pokazuje osłabienie energii (spadek) zależne od przemieszczania się fal sejsmicznych przez skorupę ziemi. Wygenerowaliśmy wibracje puszczając 4-kilogramową kulę, wykorzystywaną zwyczajowo do pchnięć, na grunt – zawsze z tej samej wysokości, jednak każdorazowo w innej odległości od niskotonowego geofonu lub głośnika. Wraz z przemieszczeniem fala traci energię, a grunt mniej wibruje. Ma to swoje odzwierciedlenie w amplitudzie sygnałów.

1. Ustaw zestaw tak jak przedstawiono na rycinie 9A.
2. Zaznacz 5 odległości, każdorazowo o 1 metr dalej w linii prostej od niskotonowego geofonu lub głośnika.
3. Puszczaj kulę z tej samej wysokości (np. 1m) na podłoże w zaznaczonej odległości, zapisuj wyniki (rycina 11) w tabeli 2.

4. Narysuj wykres zależności amplitudy od odległości.
5. Omów wykres. Twoi uczniowie powinni zauważyć, że im większa odległość od trzęsienia ziemi, tym słabiej ziemia wibruje.

Eksperyment 3: Prędkość fal w różnych mediach

W tym ćwiczeniu badamy prędkość fal w różnych mediach. W momencie, gdy fale sejsmiczne przemieszczają się przez Ziemię, ich prędkość jest zmienna i zależna od składu skał, przez które przepływają. To daje sejsmologom i geologom informacje na temat wnętrza Ziemi. My sprawdzamy jak szybko wibracje przemieszczają się przez różne materiały stałe.

Jako materiał eksperymentalny wykorzystaliśmy drewno, żelazo i marmur, ale do tego ćwiczenia można wykorzystać każdy możliwy materiał stały. Na początku sprawdź jednak, czy te materiały są dostępne w rozmiarze odpowiednim do tego doświadczenia,

1. Ustaw zestaw tak jak przedstawiono na rycinie 9B. My wykorzystaliśmy odległość (x) 80 cm pomiędzy głośnikami.
2. Opuść kulkę z myszki (albo inny pasujący obiekt) na pierwszy materiał stały, znajdujący się blisko głośników, ale nie pomiędzy nimi. Zarejestruj czasy jakie sygnał potrzebuje na dojście do głośników (t₁, t₂).
3. Powtórz te same czynności dla pozostałych materiałów, zapisując uzyskane wyniki w tabeli 3. Wyznacz prędkości fal wykorzystując wzór: v = x / (t2-t1).

4. Omów wyniki. Przez który materiał fale przemieszczają się najszybciej?