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.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Jeffreyw / iStockphoto

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 Filiatraw1 (ryc. 2). Wiek później, obszar, Kalamata został nawiedzony przez kolejne silne trzęsieniew2o mocy 6.0 stopni. W czasie najbliższych 100 lat przewiduje się, że Sparta doświadczy trzęsienia ziemiw3 o mocy przynajmniej 7.0 stopni.

Ryc. 1: Trzęsienia ziemi w Grecji w czasie pierwszego tygodnia listopada 2011. Ze względu na swoje położenie na granicy pomiędzy afrykańską i europejską płytą tektoniczną, Grecję nawiedza kilka trzęsień ziemi dziennie
Zdjęcie dzięki uprzejmości Panteleimon Bazanos; źródło informacji: automatyczny system ostrzegania Instytutu Geodynamiki w National Observatory of Athens

Ryc. 2: Trzęsienie ziemi w roku 1886 zniszczyło tereny Filiatra, a trzęsienie w 1986 zrównało z ziemią obszary Kalamata. Bardzo możliwe, że Sparta doświadczy skutków trzęsienia ziemi w ciągu najbliższych 100 lat
Zdjęcie dzięki uprzejmości Panteleimon Bazanos; źródło informacji: automatyczny system ostrzegania Instytutu Geodynamiki w National Observatory of Athens
Kliknij na obrazek aby
powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Nicola Graf

 

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).

 

Ryc. 3: Trójkanałowy sejsmogram wygenerowany przez nasz handlowy sejsmograf pokazuje czas rozpoczęcia pierwotnej (P) i wtórnej (S) fali wraz z okresem wibracji (C).
Pierwotne fale są podłużnymi falami kompresyjnymiw4 i są jako pierwsze rejestrowane przez sejsmograf. Mogą przemieszczać się przez ciała stałe i płyny – w powietrzu przybierają formę fal dźwiękowych, poruszając się z prędkością dźwięku (340 m/s). W wodzie ich prędkość podróżować na około 1450 m / s oraz w granicie na około 5000 m / s. Wtórne fale są poprzecznymi falami ścinania, przybywającymi do sejsmografu po falach pierwotnych i przemieszczającymi się przez grunt w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się. Nie przemieszczają się przez ciecze lub gazy, natomiast przez ciała stałe przemieszczają się z prędkością równą 60% prędkości fal pierwotnych.
Odległość od epicentrum (w km) oraz wielkość trzęsienia ziemi (mierzona w skali Richtera) wyznaczane są z wykorzystaniem następujących wzorów
    odległość = p1·(ts – tp)
i
    wielkość = p2·log10 (tc – tp) + p3·odległość – p4
gdzie p1, p2, p3, p4 są wartościami stałymi zależnymi od typu skały, przez którą przeszło trzęsienie ziemi. Wartości domyślne to p1 = 7.6, p2 = 2.31, p3 = 0.0012, p4 = 1.0. Wymagane są trzy pomiary (w sekundach): czas pojawienia się fali P (tp), tczas pojawienia się fali (ts) oraz czas zakończenia wibracji (tc)

Zdjęcie dzięki uprzejmości Panteleimon Bazanos; źródło zdjęcia: Rejestrator sejsmiczny, oprogramowanie Helicorder i Dataviewer, Laboratorium Sejsmiczne Uniwersytetu w Patras
Rycina 4: Jak działa geofon.
W momencie, gdy podłoże
wibruje, masa, wraz z
przymocowaną do niej cewką
zaczyna się poruszać
względem magnesu. Różnica
potencjałów powstająca w
złączach zależy od sposobu
w jaki ziemia wibruje. Kliknij
na obrazek aby powiększyć.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Panteleimon Bazanos

 

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.

 

Ryc. 5: Jak działa głośnik. Ponieważ podstawowa funkcja głośnika oparta jest o ruch cewki względem magnesu, możemy go wykorzystać do wykrywania wibracji gruntu. Takie wibracje wprowadzają w ruch cewkę zależną od magnesu, co generuje różnicę potencjałów pomiędzy zwojami cewki. Ten sygnał elektryczny jest nagrywany przez komputer poprzez kartę dźwiękową w jaki sam sposób, w jaki zostałby zarejestrowany dźwięk łapany przez mikrofonw5 Zdjęcie dziękiw5
Zdjęcie dzięki uprzejmości Iain Fergusson; źródło zdjęcia: Wikimedia Commons

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.

Ryc. 6: Nasz geofon domowej
roboty

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Panteleimon Bazanos

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 Schoolw6.

Teraz twoja kolej

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

  1. Monitorować i analizować informacje pobrane z istniejących stacji sejsmograficznychw7,w8.
  2. Użyć handlowego sejsmografu edukacyjnego.
  3. Skonstruować swój własny sejsmograf, wykorzystując do tego instrukcję podaną poniżej do ściagnięciaw6.
  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 100-200kmw9, w zależności od ich siły. Korzystając z sejsmografu handlowegow10, 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

Zniszczenie chodnika
wywołane przez trzęsienie
ziemi

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Tubbi; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

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 sejsmograficznychw7,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 Schoolw6.

 

Ryc. 7: Sygnały trzęsienia ziemi zarejestrowane przez sejsmograf domowej roboty. Wartości na żółtych polach zostały obliczone z danych zebranych przez sejsmograf, który sami zbudowaliśmy, natomiast dane pod sygnałami zostały pobrane z raportu Instytutu Geodynamiki z National Observatory of Athens.
ML oznacza lokalną moc trzęsienia ziemi (ML) w stali Richtera

Zdjęcie dzięki uprzejmości Panteleimon Bazanos

Eksperymenty na wibracjach z wykorzystaniem komputerowych głośników

Ryc. 8: Para głośników i kabel
odpowiednio zmodyfikowane
na potrzeby eksperymentu.
Wtyczki na kablu zostały
zastąpione krokodylkami, a
stożki zostały z głośników
usunięte w celu zmniejszenia
zakłóceń wywołanych przez
dźwięki podróżujących w
powietrzu

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Panteleimon Bazanos

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 Audacityw11. Dla uzyskania większej ilości szczegółów zerknij na kroki 1, 8 i 9 w możliwej do pobrania instrukcjiw6.

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.

Ryc. 9: Dwa zestawy zastosowane w tym eksperymencie, wykorzystujące jeden (A) lub dwa (B) głośniki
Zdjęcie dzięki uprzejmości Panteleimon Bazanos
  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.
Ryc. 10: Sygnały rejestrowane w eksperymencie 1. Sygnały były wzmocnione 10. krotnie
Zdjęcie dzięki uprzejmości Panteleimon Bazanos
Tabela 1: Wprowadź swoje wyniki eksperymentu 1
Wysokość (cm) 10 15 20 25 30
Amplituda sygnału            
  1. Narysuj wykres zależności amplitudy od wysokości.
  2. 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.
Ryc. 11: Sygnały zarejestrowane w eksperymencie 2. Sygnały zostały 4-krotnie wzmocnione
Zdjęcie dzięki uprzejmości Panteleimon Bazanos
Tabela 2: Wprowadź swoje wyniki z eksperymentu 2
Odległość od geofonu (m) 1 2 3 4 5
Amplituda sygnału          
  1. Narysuj wykres zależności amplitudy od odległości.
  2. 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).
Tabela 3: Wpisz wyniki z eksperymentu 3
Materiał t1 t2 t2-t1 x  v = x / (t2-t1)
Drewno          
Żelazo          
Marmur          
  1. Omów wyniki. Przez który materiał fale przemieszczają się najszybciej?

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Panteleimon Bazanos posiada tytuł chemika i przez 25 lat wykładał przedmioty ścisłe w szkole drugiego stopnia zarówno w sektorze publicznym jak i prywatnym w Grecji. Przez ostatnie pięć lat wykładał chemię i fizykę w Liceum Ogólnokształcącym w Filiatrze. Brał udział w wielu projektach szkolnych w zakresie edukacji ekologicznej.


Review

W 2011 r. trzęsienie ziemi spowodowało katastrofę ekologiczną przez uszkodzenia elektrowni jądrowych w Fukushima, Japonia. Ten artykuł pokrótce opisuje mechanizm trzęsień ziemi, a zwłaszcza propagowanie różnych fal biegnących przez Ziemię. Fale te można mierzyć z sejsmografy.

Autor opisuje jak ty i twoi studenci możecie zbudować własny sejsmograf wykorzystując w tym celu dostosowany głośnik i oprogramowanie audio. To mógłby być interesujący projekt z zakresu fizyki (akustyka, konwerter akustyczny, indukcja, właściwości mechaniczne sprężyn), nauki o ziemi (trzęsienia ziemi i ich klasyfikacja), biologii czy też inżynierii elektrycznej (prace praktyczne). Byłby to również dobry pomysł na lekcję informatyki (analiza sygnału audio i tego w jaki sposób oprogramowanie audio działa; wykorzystanie oprogramowania baz danych do zbudowania bazy danych dotyczących trzęsień ziemi).

Jeśli twój region wykazuje zbyt małą aktywność sejsmiczną, by budowanie własnego sejsmografu miało sens, proponujemy żebyś odwiedził sugerowane strony internetowe, skąd mógłbyś pobrać dane, które mógłbyś przeanalizować ze studentami. Oczywiście mógłbyś do tego przeprowadzić eksperymenty symulujące trzęsienia ziemi, tak jak opisał to autor.

Artykuł porusza takie kwestie jak:

  • Co to jest trzęsienie ziemi? Czego możesz się dowiedzieć o poważnych trzęsieniach ziemi w twojej okolicy?
  • W jaki sposób trzęsienia ziemi przemieszczają się przez Ziemię?
  • Czym jest sejsmograf i w jaki sposób działa?
  • W jaki sposób działają głośniki i jak można je wykorzystać do wykrywania trzęsień ziemi?
  • Jakie są podstawowe prawa elektryczne, które należy rozważyć podczas korzystania z głośnika jako mikrofon lub geofonu? Jak uzyskać napięcie z nich?

Gerd Vogt, Wyższa Szkoła Drugiego Stopnia Środowiska I Ekonomii, Yspertal, Austria




License

CC-BY-NC-SA