Un sismografo o sismometro è un dispositivo che consente di misurare i movimenti della superficie terrestre, cioè terremoti o tremori di qualsiasi tipo. In generale, vengono utilizzati per misurare quelli prodotti dal movimento di placche tettoniche o litosferiche, e quindi essere in grado di effettuare studi e prevedere possibili terremoti. Costruire uno strumento di questo tipo in legno e con materiali di recupero è un ottimo modo per comprendere i principi della fisica e della geologia.
La spiegazione scientifica: come si propagano i terremoti
Ogni scossa produce diversi tipi di vibrazioni, o onde sismiche, che viaggiano attraverso l’interno della Terra a diverse velocità. Queste onde possono essere rilevate e registrate da strumenti chiamati sismografi, che sono spesso situati a grandi distanze rispetto al luogo del terremoto.
Le onde primarie sono onde longitudinali di compressione 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.
Quelli vicino agli epicentri possono prendere le letture dei terremoti per registrare le chiamate Onde S e onde P. Quelle più distanti invece possono registrare solo onde P. 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 km, a seconda della magnitudo.
Il principio di funzionamento del geofono
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).
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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. 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.
Per costruire il nostro geofono, abbiamo usato un ‘woofer’ (uno speaker per suoni a bassa intensità) poiché i woofer sono costruiti per lavorare bene a basse frequenze, e le onde sismiche sono ovviamente vibrazioni a bassa frequenza.
legge faraday neuman lenz
Materiali necessari per la costruzione
Per creare un tale sistema, ne avrai bisogno di alcuni elementi abbastanza basilari e che tutti abbiamo a portata di mano. Di seguito è riportata una tabella riassuntiva con i principali componenti fisici ed elettronici necessari per il progetto:
| Componente | Funzione principale | Dettagli / Alternativa economica |
|---|---|---|
| Supporto in legno | Struttura portante del sismografo | Asse in legno o cassa di recupero |
| Woofer / Altoparlante | Rilevatore di vibrazioni (geofono) | Cassa di un vecchio hi-fi |
| Molla e peso | Elemento oscillante per inerzia | Molla in metallo con peso per calibrazione |
| Bobina di rame | Generatore di segnale elettromagnetico | 2500 giri di filo su tubo PVC da 1 pollice |
| Amplificatore OpAmp | Amplifica le correnti deboli | Modello LT1677CN8 o simile |
| Scheda Arduino | Convertitore analogico-digitale | Arduino UNO collegato al PC via USB |
Assemblaggio del sismografo passo dopo passo
Per prima cosa devi avvolgere un filo di rame con isolamento per creare una bobina. In questo progetto usano tubi in PVC che puoi trovare in qualsiasi impianto idraulico. Il tubo viene tagliato e lascerai circa 1 pollice (2.54 cm) dove è avvolto con 2500 giri di filo. Puoi anche creare un pezzo con una stampante 3D se preferisci, oppure usa altri tipi di materiali riciclati per sostituire il tubo in PVC.
Il passo successivo è appendere e calibrare la molla con il magnete. Per questo devi mettere i magneti incollati al filo o alla molla. Dovrebbero essere sospesi all'interno del tubo con l'avvolgimento che hai creato nel passaggio precedente. Inoltre, la calibrazione dovrebbe rendere la vibrazione di 1Hz, cioè si muove su e giù una volta al secondo.
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Poiché lo spostamento del magnete nel nucleo della bobina genera correnti molto piccole, è necessario un amplificatore di segnale. Il collegamento è semplice, puoi farlo su una breadboard o su una piastra forata da pavimento, se vuoi lasciarlo permanente. Ora ci sarà la scheda arduino ONE, che avrà il compito di trasformare il segnale amplificato dal circuito dal passaggio precedente e trasformarlo in dati digitali.
Collegando Arduino al PC, tramite USB, i dati verranno acquisiti, e tramite un software i dati potranno essere caricati tramite monitor della porta seriale che hai in Arduino IDE. Potresti anche apportare alcune modifiche e miglioramenti per ridurre il rumore e impedirti di fornire informazioni false.
Un'alternativa classica: il sismografo a pendolo meccanico
Se preferite una versione puramente meccanica senza sensori digitali, potete optare per il classico metodo del pendolo. Pratichiamo un foro nel fondo del bicchiere e infiliamo il pennarello. Appoggiamo il sismografo su un tavolino e mostriamo come in stato di quiete il pennarello stia fermo. Facendoci aiutare, facciamo scorrere il foglio sotto al pennarello e simultaneamente scuotiamo il tavolino per simulare un terremoto. Il diagramma a forma di onda che disegna è il sismogramma.
Esperimenti pratici con il sismografo fai da te
Una volta completata la calibrazione dello strumento, è possibile eseguire diverse attività sperimentali.
Esperimento 1: Relazione tra potenza e movimento
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 da diverse altezze, producendo differenti potenze che creano oscillazioni nel terreno. Fate cadere la pallina da diverse altezze, registrando l'ampiezza del segnale sul software di modifica audio.
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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 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.
Esperimento 3: Velocità nei diversi materiali
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. Abbiamo usato legno, ferro e marmo come materiali, ma un qualsiasi solido duro può essere usato. Per il calcolo della velocità e della distanza dall'epicentro si utilizzano costanti matematiche dipendenti dal mezzo, con i seguenti valori di default standard per la roccia: p1 = 7.6, p2 = 2.31, p3 = 0.0012, p4 = 1.0.
Il sistema è abbastanza sensibile, quindi può registrare scosse che non sono realmente terremoti. Potrebbe anche rilevare vibrazioni da alcuni apparecchi o veicoli nelle vicinanze. Per le misurazioni migliori, posizionate il sismografo in un punto in quiete e libero da vibrazioni, magari i sotterranei della scuola.