La construcción de un sismógrafo desde cero

Los terremotos tienen lugar alrededor del mundo constantemente. En 2011, los terremotos que causaron el desastre de Fukushima en Japón, la muerte de miles de personas en Turquía y la devastación de Christchurch, Nueva Zelanda, ocuparon los titulares de los medios de comunicación. Pero ¿sabías que ese mismo año ocurrieron terremotos en Finlandia, Bélgica y la República Checa?

Algunos pueden ser tan leves como para ser prácticamente imperceptibles, pero aun así pueden ser registrados. Cada temblor produce diferentes tipos de vibraciones u ondas sísmicas que viajan a través del interior de la Tierra con diferentes velocidades. Estas ondas pueden ser detectadas y registradas por los instrumentos llamados sismógrafos, que a menudo se encuentran situados a grandes distancias del terremoto. Midiendo el tiempo que las ondas sísmicas tardan en llegar a los sismógrafos, y registrando la amplitud de las ondas, se puede calcular la magnitud del mismo y determinar su epicentro.

Monitorizando terremotos locales

Los terremotos tienen lugar a diario en Grecia (figura 1), pues se encuentra a caballo sobre dos placas tectónicas. El distrito de Messinia, donde se encuentra nuestra escuela, tiene una larga historia de grandes terremotos. En 1886, un fuerte terremoto de magnitud 7,5 en la escala de Richter sacudió Filiatra^w1 (figura 2). Un siglo más tarde, Kalamata fue golpeada por otro fuerte terremoto^w2, esta vez de magnitud 6,0. Dentro de los próximos 100 años, se prevé que Esparta será golpeada por un terremoto^w3 de 7,0 grados de magnitud por lo menos.

Para animar a mis estudiantes a aprender acerca de los terremotos, he adquirido y puesto a punto un sismógrafo educativo comercial en nuestra escuela (figuras 3 y 4), el Liceo General de Filiatra. El sismógrafo está basado en un conjunto de tres geófonos – dispositivos que responden a las ondas sísmicas y las convierten en señales eléctricas. Cada uno de los tres geófonos está a la escucha de las ondas en distintas direcciones: de arriba a abajo, de este a oeste y de norte a sur. Las tres señales se procesan en un ordenador, de manera que se calcula la magnitud del terremoto y la distancia al epicentro (figura 3).

Construcción de un sismógrafo

También quiero animar a los estudiantes a pensar sobre la tecnología que se utiliza para detectar y medir terremotos y a entender lo que hace cada componente; en lugar de ver un sismógrafo como una “caja negra”. Para ello, vamos a construir nuestro propio sismógrafo, con el que podremos detectar sismos locales – hasta 100-200 km de distancia, dependiendo de su magnitud.

En el corazón de cualquier sismógrafo están los geófonos. Estos dispositivos convierten las vibraciones en señales eléctricas mediante una bobina que se desplaza respecto a un imán, produciendo una tensión eléctrica en el extremo de la bobina (ley de Faraday; figura 4). Para construir nuestro sismógrafo, como geófono vamos a utilizar un altavoz. Normalmente, os altavoces funcionan convirtiendo una señal eléctrica en movimiento de una bobina respecto de un imán, que hace que el cono se desplace hacia fuera, lo cual genera vibraciones que dan lugar a ondas de sonido (figura 5). Si se ponen a funcionar al revés – es decir, convertir las vibraciones en señales eléctricas – puede trabajar como geófonos.

Para construir nuestro geófono, se utilizó un “woofer” – altavoz para sonidos de baja frecuencia – ya que estos altavoces están especialmente diseñados para trabajar bien a bajas frecuencias, y las ondas sísmicas, por supuesto, son vibraciones de baja frecuencia. Para minimizar la interferencia de las vibraciones del sonido, hemos eliminado el cono del altavoz.

Para completar el geófono (figura 6), también hay que disponer de un peso, un muelle y la tapa de una lata. El peso sirve para aumentar la inercia, ya que la bobina del altavoz en sí es muy ligera. Si colocásemos un peso directamente sobre la bobina ésta se dañaría, por lo cual utilizamos el muelle para sostener el peso sobre la bobina, permitiéndole a ésta oscilar. La tapa sirve para proteger la bobina. A continuación, conectamos nuestro geófono “woofer” en el puerto de la tarjeta de en el puerto de la tarjeta de sonido de un ordenador, y registramos las señales mediante un programa para edición de sonidos, y así disponemos de un sismógrafo.

Se pueden descargar instrucciones detalladas para construir un sismógrafo del sitio web Science in School ^w6.

Ahora es tu turno

Si estás interesado en monitorizar e investigar la actividad sísmica en la clase, puedes:

1. Monitorizar y analizar datos provenientes de estaciones sismográficas existentes^w7,w8.
2. Utilizar un sismógrafo educativo comercial.
3. Construir tu propio sismógrafo, a partir de las instrucciones que se pueden descargar indicadas más abajo^w6.
4. Llevar a cabo algunos experimentos fáciles para simular e investigar la física de los terremotos.

Para registrar terremotos, bien con un sismógrafo comercial o casero, será necesario encontrarse relativamente cercano a sus epicentros. Nuestro sismógrafo casero detectó terremotos alejados hasta 100-200 km^w9, dependiendo de su magnitud. Con nuestro sismógrafo comercial^w10, detectamos terremotos de magnitud 4,0 en la escala Richter a 500 km de distancia.

Las opciones 1 a 4 tienen la ventaja de que son factibles incluso en regiones con muy poca actividad sísmica.

A la búsqueda de terremotos

La bobina del sismógrafo casero es muy sensible, por lo que el geófono debe ser manejado con mucho cuidado. Para conseguir las mejores medidas, es aconsejable instalar el sismógrafo en un lugar tranquilo y libre de vibraciones, por ejemplo, tal como el sótano de la escuela. Sin embargo, para fomentar la participación de los estudiantes, yo coloqué el mío en el aula.

Una vez que haya configurado el sismógrafo, déjelo registrando de forma continua durante uno o dos días, a continuación almacene los datos en un soporte digital. Antes de buscar los terremotos en los datos grabados, tendrá que hacer algún tipo de procesamiento. Los detalles concretos del procesamiento dependerán del programa que se utilice; normalmente suele ser bastante sencillo.

1. Eliminar la componente de corriente continua de la señal.
2. Amplificar las frecuencias bajas (por debajo de 100 Hz). Este es el rango en el que se detectarán los terremotos.
3. Eliminar el ruido de fondo (ruido térmico, ruido electrónico, etc.) para que la señal quede más limpia.
4. A continuación, se pueden buscar los patrones indicativos de terremotos.

No todas las señales registradas por los sismógrafos corresponden a terremotos. Otras fuentes, más próximas, incluido el tráfico, el viento, explosiones, puertas que se abren y cierran, pueden generar señales espurias. Los terremotos a menudo tienen un patrón característico: una onda pequeña seguida de una grande (ver figura 3). Debido a que este no es siempre el caso, sin embargo, uno a veces puede no estar seguro de si lo que ha detectado es en realidad un terremoto. La única manera de estar seguro es hacer lo que hacen los sismólogos profesionales: comparar sus datos con las grabaciones realizadas en otras estaciones sismográficas^w7,w8.

Cuando se tiene la certeza de que ha detectado un terremoto, se puede calcular su magnitud (en la escala de Richter) y la distancia (en kilómetros) al epicentro (figura 7). Para ello es necesario hacer tres medidas: el tiempo de llegada (en segundos) de las ondas P y S, y el tiempo en que finalizan las vibraciones (ver figura 3). For more details, Para obtener más información, se pueden descargar las instrucciones del sitio web Science in School^w6.

Experimentos sobre vibraciones con los altavoces del ordenador

También he diseñado algunos experimentos para simular algunos características de los terremotos y las señales que producen – por ejemplo, cómo disminuye la energía del terremoto conforme atraviesa diferentes materiales.

Para ello, hemos utilizado altavoces y un ordenador equipado con una tarjeta de sonido y el software de procesamiento de audio, como antes. Pero en lugar de geófonos se pueden utilizar altavoces viejos de ordenador (con el cono eliminado), que puedan moverse libremente para hacer los experimentos (figura 8). Es posible utilizar “woofers” de 100W / 8Ω, como en la construcción de nuestro sismógrafo, o altavoces de ordenador de 3W /8Ω, además del software de edición de sonido Audacity^w11. Para más detalles, consultar los pasos 1, 8 y 9 de las instrucciones descargables^w6.

El experimento consiste en dejar caer bolas desde diferentes alturas (que representan distintas energías) a diferentes distancias de los detectores (los altavoces) sobre superficies de distintos materiales sólidos.

Cuando la bola golpea una superficie dura produce vibraciones que viajan a través del sólido -  tal como un terremoto produce las ondas que viajan a través de la Tierra.

Experimento 1: La fuerza de un temblor

Esta actividad demuestra la relación entre la fuerza del terremoto y el movimiento del terreno. Producimos vibraciones en una pieza de mármol (o de madera, plástico o incluso de terreno) dejando caer una bola del ratón (procedente de un ratón de ordenador) desde diferentes alturas, que dan lugar a vibraciones de diferente energía en el material. La amplitud de la señal depende de la potencia de la vibración.

1. Montar el equipo como se muestra en la figura 9A.
2. Dejar caer la bola desde diferentes alturas y registrar la amplitud de la señal (figura 10) en la tabla 1. No es importante la distancia a la cual están los altavoces del lugar donde cae la bola, pero sí mantenerla igual en todos los casos.

3. Representar en un gráfico la amplitud frente a la altura.
4. Comentar los resultados. Los estudiantes deben concluir que a más energía liberada, más vibración del terreno.

Experimento 2: Atenuación de la energía

Esta actividad demuestra que la energía se atenúa (disminuye) conforme viajan las ondas sísmicas a través de la corteza terrestre. Hemos producido las vibraciones al dejar caer al suelo una bola de metal de 4 kg en el suelo desde la misma altura, pero situando el geófono o el altavoz a distancias diferentes. A medida que las ondas viajan, pierden energía y el terreno vibra menos. Esto se refleja en la amplitud de las señales.

1. Configurar el equipo como se muestra en la figura 9A.
2. Hacer 5 marcas en el suelo a 1 m de distancia entre sí a partir del geófono o del altavoz.
3. Dejar caer la bola al suelo desde la misma altura (p. e. 1 m) para cada una de las 5 distancias marcadas y registrar los resultados (figura 11) en la tabla 2.

4. Representar gráficamente la amplitud frente a la distancia.
5. Comentar el gráfico. Los estudiantes deberán concluir que conforme se esté más lejos del terremoto, menos vibra la tierra.

Experimento 3: Velocidad de las ondas en medios diferentes

En esta actividad, se investigan las velocidades de las ondas en medios diferentes. Conforme las ondas sísmicas viajan a través de la Tierra, su velocidad varía en función de la composición del terreno que atraviesan. Este hecho ofrece a los sismólogos y geólogos información importante sobre el interior de la Tierra. Aquí, investigamos cómo viajan las vibraciones rápidas a través de diferentes medios sólidos.

Como materiales utilizamos madera, hierro y mármol, pero también se puede usar cualquier otro material rígido. Hay que asegurarse que se dispone de suficiente material para el experimento.

1. Configurar el equipo como se muestra en la figura 9B. La distancia (x) entre los altavoces es de 80 cm.
2. Dejar caer una bola de ratón del ordenador (u otro objeto apropiado) sobre el primer material, cercano a uno de los altavoces pero no entre ellos. Registrar los tiempos de llegada de la señal a cada uno de los altavoces (t1, t2).
3. Repetir con otro material y rellenar la tabla 3 con cada resultado. Calcular la velocidad de las ondas utilizando la fórmula: v = x / (t2-t1).

4. Discusión de resultados. ¿En qué material las ondas viajan más rápido?