Costruire un sismografo dai rottami Teach article

Tradotto da Valentina Palmieri. Sapevate che si possono utilizzare le vecchie casse di un hi-fi per rilevare terremoti? E anche fare dei semplici esperimenti di terremoto in classe? Ecco come.

Immagine gentilmente offerta
da Jeffreyw / iStockphotol

I terremoti si verificano in ogni momento in tutto il mondo. Nel 2011, i terremoti che hanno causato il disastro di Fukushima in Giappone, ucciso centinaia di persone in Turchia e devastato Christchurch, Nuova Zelanda, sono stati in prima pagina. Ma sapevate che nel 2011 anche Finlandia, Belgio e Repubblica Ceca hanno vissuto terremoti?

Alcuni terremoti possono essere così deboli da essere praticamente impercettibili, ma comunque registrabili. Ogni scossa produce diversi tipi di vibrazioni, o onde sismiche, che viaggiano attraverso l’interno della Terra a diverse velocità. Queste onde posso essere rilevate e registrate da strumenti chiamati sismografi, che sono spesso situati a grandi distanze rispetto al luogo del terremoto. Misurando il tempo impiegato dalle onde sismiche per arrivare ai sismografi, così come misurando l’ampiezza e la durata delle onde, possiamo calcolare la magnitudo del terremoto e determinarne l’epicentro.

Monitorare i terremoti locali

I terremoti avvengono giornalmente in Grecia (figura 1), situata al confine tra due placche tettoniche. Il distretto di Messinia, dove è situata la nostra scuola, ha una storia caratterizzata da grandi terremoti. Nel 1886, un grave terremoto di magnitudo 7.5 sulla scala Richter ha colpito Filiatraw1 (figura 2). Un secolo dopo Kalamata è stata colpita da un altro forte terremotow2, questa volta di magnitudo 6.0. Nei prossimi 100 anni si prevede che a Sparta ci sarà un terremotow3 di magnitudo almeno pari a 7.0.

Figura 1: Terremoti in Grecia durante la prima settimana di Novembre 2011. Dato che la Grecia è situata al confine tra le placche tettoniche dell’Africa e dell’Europa, diversi terremoti si verificano ogni giorno.
Immagine gentilmente offerta da Panteleimon Bazanos; fonte: il sistema di allerta automatico dell’Istituto di Geodinamica del Osservatorio Nazionale di Atene

Figura 2: Il terremoto del 1886 rovinò Filiatra, mentre nel 1986 il terremoto danneggiò Kalamata. Sparta sembra essere destinata a diventare un’altra vittima del terremoto nei prossimi 100 anni
Immagine gentilmente offerta da Panteleimon Bazanos; fonte: il sistema di allerta automatico dell’Istituto di Geodinamica del Osservatorio Nazionale di Atene
Cliccare sull’immagine per
ingrandire

Immagine gentilmente offerta
da Nicola Graf

 

Per incoraggiare i miei studenti ad imparare cosa sono i terremoti, ho comprato e montato un sismografo didattico commerciale (figura 3 e 4) nella nostra scuola, il Liceo Generale di Filiatra. Il sismografo è basato su un sistema di tre geofoni- dispositivi che rispondono alle onde sismiche e le convertono in segnali elettrici. Ciascuno dei tre geofoni monitora le onde in direzione alto-basso, est-ovest e nord-sud. I tre segnali vengono poi processati da un computer, permettendo il calcolo della magnitudo del terremoto e della distanza dall’epicentro (figura 3).

 

Figura 3: : Un sismogramma a 3 canali ottenuto tramite il nostro sismografo commerciale, mostra l’inizio delle onde primarie (P) e secondarie (S) e il momento finale delle vibrazioni (C).
Le onde primarie sono onde longitudinali di compressionew4 e sono le prime che arrivano al sismografo. Possono viaggiare attraverso solidi e fluidi- in aria prendono forma di onde sonore, viaggiando alla velocità del suono (340 m/s). In acqua viaggiano a circa 1450 m/s e nel granito a circa 5000 m/s. Le onde secondarie sono onde trasversali di taglio, arrivano al sismografo dopo le onde primarie e spostano il terreno in direzione perpendicolare a quella di propagazione. Non viaggiano attraverso liquidi o gas, mentre attraverso i solidi hanno una velocità pari al 60% delle onde primarie.
La distanza dell’epicentro (in km) e la magnitudo del terremoto (misurata sulla scala Richter) vengono calcolate seconda le formule
    distanza = p1·(ts – tp)
E
    magnitudo = p2·log10 (tc – tp) + p3·distanza – p4
dove p1, p2, p3, p4 sono costanti che dipendono dal tipo di roccia che il terremoto ha attraversato. I valori di default sono p1 = 7.6, p2 = 2.31, p3 = 0.0012, p4 = 1.0. Sono necessarie le misure di tre tempi caratteristici (in secondi): il tempo di arrivo di P (tp), di S (ts) e il secondo in cui le vibrazioni terminano (tc)

Immagine gentilmente offerta da Panteleimon Bazanos; fonte dell’immagine: Seismic Logger, Helicorder e Dataviewer software, Laboratorio di Sismologia dell’Università di Patras
Figura 4: Come funziona un
geofono. Quando il terreno
vibra, la massa con la bobina
attaccata ad essa si muove in
relazione al magnete. La
differenza di potenziale
prodotta nei connettori
dipende dal modo in cui il
terreno vibra. Cliccare
sull’immagine per ingrandire

Immagine gentilmente offerta
da Panteleimon Bazanos

 

Costruire un sismografo

Ho anche voluto incoraggiare gli studenti a pensare alla tecnologia utilizzata per rilevare e misurare la forza dei terremoti e capire cosa fa ciascun componente del sismografo, invece che osservarlo come se fosse una ‘scatola nera’. Per questo scopo, abbiamo costruito il nostro personale sismografo, con cui possiamo rilevare terremoti locali, a distanze fino a 100-200 km, a seconda della magnitudo.

Il cuore di ogni sismografo consiste nei geofoni. Essi convertono le vibrazioni del terreno in segnali elettrici usando una bobina che si muove rispetto a un magnete, producendo un voltaggio elettrico alla fine della bobina (secondo la legge di Faraday, figura 4). Per costruire il nostro sismografo, abbiamo usato un geofono presente nella tecnologia di ogni giorno: un altoparlante. Normalmente, gli altoparlanti funzionano convertendo un segnale elettrico in un movimento relativo di una bobina e un magnete, ciò causa un movimento di un cono in avanti e indietro che genera vibrazioni: onde sonore (figura 5). Facendo in modo che gli altoparlanti funzionino al contrario- cioè convertendo vibrazioni in segnali elettrici- possiamo farli funzionare come geofoni.

 

Figura 5: Come funziona un altoparlante. Dato che la funzione degli altoparlanti si basa sul momento relativo di una bobina e un magnete, possiamo usarli per misurare le vibrazioni del terreno. Queste vibrazioni muovono la bobina in relazione al magnete, producendo una differenza di potenziale tra i connettori della bobina. Questo segnale elettrico è registrato dal computer tramite una scheda audio, nello stesso modo in cui succeed con gli input da un microfonow5
Immagine gentilmente offerta da Iain Fergusson; fonte: Wikimedia Commons

Per costruire il nostro geofono, abbiamo usato un ‘woofer’-uno speaker per suoni a bassa intensità- poichè i woofer sono costruiti per lavorare bene a basse frequenze, e le onde sismiche sono ovviamente vibrazioni a bassa frequenza. Per minimizzare l’interferenza da vibrazioni sonore, abbiamo rimosso il cono della cassa.

Figura 6: Il nostro geofono
fatto in casa

Immagine gentilmente offerta
da Panteleimon Bazanos

Per completare il nostro geofono (figura 6), abbiamo anche usato un peso, una molla e un coperchio di una bomboletta spray. Il peso serve per aumentare l’inerzia dato che la bobina della cassa è molto leggera. Posizionare un peso direttamente sulla bobina la avrebbe danneggiata, perciò abbamo usato la molla per tenere il peso alla bobina, permettendo che oscillasse. Abbiamo quindi connesso il nostro geofono woofer alla porta della scheda audio di un computer, e registrato i segnali tramite un software per la modifica dei file audio, creando così un sismografo funzionante.

Istruzioni dettagliate per costruire il sismografo posso essere scaricate dal sito di Science in School w6.

Ora è il vostro turno

Se siete interessati al monitoraggio e allo studio dell’attività sismica in classe potreste:

  1. Monitorare e analizzare dati già esistenti di stazioni sismografichew7,w8.
  2. Usare un sismografo didattico commerciale.
  3. Costruire il vostro sismografo, usando le istruzioni in basso scaricabiliw6.
  4. Effettuare alcuni semplici esperimenti per simulare e studiare la fisica dei terremoti.

Per registrare terremoti, sia con sismografi commerciali che costruiti in casa, dovreste collocarvi abbastanza vicini all’epicentro. Il nostro sismografo fatto in casa è stato in grado di registrare terremoti a una distanza di 100-200 kmw9, a seconda della magnitudo. Invece con il sismografo commercialew10, siamo stati in grado di registrare terremoti di grado 4.0 sulla scala Richter fino a 500 km di distanza.

Le opzioni 1 e 4 hanno il vantaggio di essere praticabili anche in regioni con pochissima attività sismica.

Alla ricerca dei terremoti

Un terremoto danneggia un
pavimento

Immagine gentilmente offerta
da Tubbi; fonte: Wikimedia
Commons

La bobina del sismografo fatto in casa è molto sensibile, per cui il geofono deve essere maneggiato con grande attenzione. Per le misurazioni migliori, posizionate il sismografo in un punto in quiete e libero da vibrazioni, magari i sotterranei della scuola. In ogni caso, per incoraggiare la partecipazone degli studenti ho posizionato il mio in classe.

Una volta che avete costruito il sismografo, fate sì che registri dati in maniera continuativa per uno o due giorni e poi salvate i dati in un file. Prima che possiate trovare terremoti nei dati dovrete processare i dati. I dettagli esatti per farlo dipenderanno dal software che usate, ma dovrebbe essere abbastanza semplice.

  1. Rimuovete, se presente, il DC offset, per rimuovere il contributo di qualsiasi corrente DC nel segnale.
  2. Amplificate le basse frequenze (sotto i 100 Hz). Questo è il range in cui ricercherete i terremoti.
  3. Rimuovete il rumore di fondo (rumore termico, rumore elettronico, ecc.) per far sì che il segnale sia più pulito.
  4. Fatto questo, potrete cercare nei dati pattern che indicano terremoti.

Non tutti i segnali registrati dal sismografo sono terremoti. Altri segnali, per la maggior parte da fonti locali, incluso traffico, vento, esplosioni e aperture e chiusure di porte, possono causare confusione. I terremoti spesso hanno un pattern caratteristico: una piccola forma d’onda seguita da una più grande (vedere figura 3). Poichè questo non è sempre il caso, potreste comunque, voi e i vostri studenti, non essere sicuri che ciò che avete registrato sia realmente un terremoto. L’unico modo per essere certi è fare ciò che fanno i sismologi professionisti e comparare i tuoi dati con le registrazioni fatte in altre stazioni sismografichew7,w8.

Quando sarete certi che ciò che avete registrato è un terremoto, potrete calcolare la sua magnitudo (sulla scala Richter) e la vostra distanza (in km) dall’epicentro (figura 7). Per fare ciò, vi occorrono solo tre misurazioni: il tempo di arrivo (in secondi) delle onde P e onde S, e il tempo in cui le vibrazioni si fermano (vedere figura 3). Per maggiori dettagli, scaricate le istruzioni dal sito di Science in School w6.

Figura 7: Segnali di terremoto registrati con il nostro sismografo fatto in casa. I valori nei riquadri in giallo sono stati calcolati dai dati del sismografo fatto in casa, mentre i valori al di sotto del segnale provengono dai report dell’Istituto di Geodinamica dell’Osservatorio Nazionale di Atene.
ML sta per magnitudo locale (ML) sulla scala Richter

Immagine gentilmente offerta da Panteleimon Bazanos

Esperimenti di oscillazioni con le casse del computer

Figura 8: Un paio di casse di
computer e un cavo
modificato per l’uso negli
esperimenti. Le spine sul
cavo sono state sostituite
con pinze a coccodrillo, e i
coni sono stati rimossi dalle
casse per ridurre
l’interferenza proveniente dai
suoni che viaggiano
attraverso l’aria

Immagine gentilmente offerta
da Panteleimon Bazanos

Ho anche ideato alcuni esperimenti per simulare aspetti dei terremoti e segnali da questi prodotti – per esempio, come l’energia del terremoto diminuisce man mano che passa attraverso diversi materiali.

Per fare ciò abbiamo usato casse e un computer dotato di una scheda audio e di un software di processamento di file audio, come in precedenza. Però al posto dei geofoni potreste usare vecchie casse di un computer (sempre con il cono rimosso), che possono essere spostate in giro all’occorenza negli esperimenti (figura 8). Potete usare altoparlanti 100W / 8Ω, come nella costruzione del nostro sismografo, o casse di computer 3W / 8Ω, e il software di modifica di file audio Audacityw11. Per più dettagli, guardate gli step 1, 8 e 9 nelle istruzioni scaricabiliw6.

Gli esperimenti prevedono palline lasciate cadere da altezze differenti (aventi diverse energie) e posizionate a diverse distanze dai detector (gli altoparlanti), su superfici costituite da differenti materiali solidi.

Quando la pallina colpisce una superfice dura produce delle vibrazioni che viaggiano attraverso il solido- così come un terremoto produce onde che viaggiano attraverso la Terra.

Esperimento 1: Il potere dell’agitazione

Questa attività dimostra la relazione tra la potenza del terremoto e il movimento del terreno. Abbiamo provocato vibrazioni su un pezzo di marmo (o sul legno, plastica o persino terreno) facendo cadere una pallina di un mouse da diverse altezze, producendo differenti potenze che creano oscillazioni nel terreno. L’ampiezza del segnale dipenderà dalla potenza dell’oscillazione.

Figura 9: Due configurazioni per gli esperimenti, usando uno (A) o due (B) altoparlanti
Immagine gentilmente offerta da Panteleimon Bazanos
  1. Costruite lo strumento come mostrato in figura 9A.
  2. Fate cadere la pallina da diverse altezze, registrando l’ampiezza del segnale (figura 10) in tabella 1. Non è importante la distanza esatta dall’altoparlante dalla quale fate cadere la palla, ma siate sicuri di farla cadere sullo stesso punto ogni volta.
Figura 10: Segnali registrati durante l’esperimento 1. I segnali sono stati amplificati di un fattore 10
Immagine gentilmente offerta da Panteleimon Bazanos
Tabella 1: Inserire i risultati dell’esperimento 1
Altezza (cm) 10 15 20 25 30
Ampiezza del segnale          
  1. Fate un grafico dell’ampiezza in funzione dell’altezza.
  2. Discutete il grafico. I vostri studenti dovrebbero concludere che più energia viene rilasciata, più il terreno vibra.

Esperimento 2: Attenuazione dell’Energia

Questa attività dimostra l’attenuazione dell’energia (diminuzione) man mano che le onde viaggiano attraverso la crosta terrestre. Abbiamo prodotto vibrazioni facendo cadere una palla di metallo da 4 kg (da lancio del peso) sul terreno dalla stessa altezza ma a diverse distanze dal geofono o dall’altoparlante. Man mano che l’onda viaggia perde energia e il terreno vibra meno. Questo si riflette nell’ampiezza del segnale.

  1. Costruite lo strumento come mostrato in figura 9A.
  2. Segnate 5 distanze a intervalli di un metro dal geofono woofer o altoparlante lungo il terreno.
  3. Fate cadere la palla dalla stessa altezza (per esempio 1m) sul terreno a ciascuna distanza segnata, registrando i risultati (figura 11) in tabella 2.
Figura 11: Segnali registrati nell’esperimento 2. I segnali sono stati amplificati di un fattore 4
Immagine gentilmente offerta da Panteleimon Bazanos
Tabella 2: Inserire i risultati dell’esperimento 2
Distanza dal geofono (m) 1 2 3 4 5
Ampiezza del segnale          
  1. Fate un grafico dell’ampiezza in funzione della distanza.
  2. Discutete il grafico. I vostri studenti dovrebbero concludere che più è lontano il ‘terremoto’, meno vibra il terreno.

Esperimento 3: Velocità dell’onda in differenti mezzi

In questa attività, studieremo le velocità delle onde in differenti mezzi. Man mano che le onde sismiche viaggiano attraverso la Terra, la loro velocità sarà differente a seconda della composizione delle rocce che stanno attraversando. Questo fornisce ai sismologi e ai geologi informazioni importanti riguardo l’interno della Terra. In questo esperimento, studiamo quanto velocemente viaggiano le onde attraverso diversi materiali solidi.

Abbiamo usato, legno, ferro e marmo come materiali ma un qualsiasi solido duro può essere usato. Siate sicuri solo di avere i vari materiali con dimensioni sufficienti per il vostro esperimento.

  1. Costruite lo strumento come mostrato in figura 9B. Abbiamo utilizzato una distanza (x) di 80 cm, tra gli altoparlanti.
  2. Fate cadere la pallina del mouse (o un altro oggetto adatto) sul primo materiale solido, vicino a uno degli altoparlanti ma non tra gli altoparlanti. Registrate il tempo necessario per il segnale per raggiungere ciascuno speaker (t1, t2).
  3. Ripetete con altri materiali inserendo ciascun risultato in tabella 3. Ricavate la velocità dell’onda usando la formula: v = x / (t2-t1).
Tabella 3: Inserire i risultati dell’esperimento 3
Materiale t1 t2 t2-t1 x  v = x / (t2-t1)
Legno          
Ferro          
Marmo          
  1. Discutete i risultati. In quale materiale le onde viaggiano più velocemente?

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Panteleimon Bazanosha una laurea in chimica e ha insegnato scienze nelle scuole secondarie sia nel settore pubblico che privato in Grecia per 25 anni. Negli ultimi 5 anni, ha insegnato chimica e fisica nel Liceo Generale di Filiatra. E’ stato coinvolto in diversi progetti scolastici sull’educazione ambientale.


Review

Nel 2011, un terremoto ha causato un disastro ambientale danneggiando gli stabilimenti nucleari a Fukushima, in Giappone. Questo articolo descive brevemente come avvengono i terremoti e specialmente come si propagano le diverse onde attraverso la Terra. Queste onde possono essere misurate tramite sismografi.

L’autore descrive come tu e i tuoi studenti potete costruire un vostro sismografo usando una cassa e un software audio. Questo potrebbe essere un progetto interessante sia in fisica (acustica, conversione acustica, induzione, proprietà meccaniche delle molle), scienze della terra (terremoti e loro classificazione), biologia e ingegneria elettrica (esperimento pratico). Potrebbe anche essere effettuato nelle lezioni di informatica (analisi del segnale audio e come funziona il software audio; oppure utilizzo di un software di database per crere un database dei terremoti).

Se c’è un’attività sismica troppo bassa nella vostra regione perchè valga la pena di costruire un proprio sismografo, potreste visitare i siti suggeriti per scaricare i dati di teremoti da analizzare con gli studenti. E ovviamente potreste sempre effettuare gli esperimenti di simulazione di terremoti che l’autore ha descritto.

L’articolo stimola a fare domande quali:

  • Cos’è un terremoto? Cosa puoi scoprire sui terremoti gravi nella tua regione?
  • Come viaggiano le onde del terremoto attraverso la Terra?
  • Cos’è un sismografo e come funziona?
  • Come funziona un altoparlante, e perchè e come può essere usato per rilevare terremoti?
  • Quali sono le leggi base dell’elettricità da considerare quando si usa un altoparlante come microfono o geofono? Come si ottiene un voltaggio in uscita da esso?

Gerd Vogt, Higher Secondary School for Environment and Economics (Liceo per l’ambiente e l’economia), Yspertal, Austria




License

CC-BY-NC-SA