S
ono nella mente di
ognuno di noi le
immagini di devastazione dell’Aquila, la storia
di un’intera città crollata su se stessa come un
castello di carte in uno
dei più grandi terremoti
registrati negli ultimi
decenni in Italia.
La previsione dei
terremoti, fenomeni
fisici naturali tra i più
imprevedibili ma di
cui si conoscono molto
bene i meccanismi che li
determinano, continua
ad essere una delle più
grandi sfide della sismologia, la scienza che
li studia nel dettaglio.
Era naturale che prima
o poi la piattaforma
di prototipizzazione
Arduino venisse utilizzata in settori
della ricerca
RILEVIAMO
E MISURIAMO
L’INTENSITÀ DEI
TERREMOTI
di ROBERTO SCHIFANO
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Aprile 2012 ~ Elettronica In
Hi-Tech
In questo articolo analizziamo le problematiche
associate alla misurazione di terremoti e
microtremori generati da fenomeni naturali e
artificiali e approfondiamo le tipologie
di sensori utilizzabili.
Come sensori utilizziamo dei geofoni o degli
accelerometri interfacciati ad una applicazione
basata su Arduino e LabVIEW.
scientifica pura, appannaggio fino a poco tempo fa di strumentazioni
dai costi assolutamente
proibitivi. Il progetto
che qui andremo a
proporre permette di
costruire un sismografo,
ovvero uno strumento
in grado di percepire i
terremoti, ma non solo.
Sfruttando lo stesso
principio fisico che sta
alla base dei terremoti
(propagazione delle
onde di volume e microtremori), troveremo
come esso possa essere
adattato a innumerevoli
applicazioni, legate sia
al mondo della ricerca
pura e applicata nelle
Scienze della Terra,
quali lo studio dei
terremoti e dei microterremoti, il monitoraggio di frane e valanghe,
l’attività vulcanica, ma
anche più “applicativi“,
come lo stato di salute
di macchine con organi
in movimento (rotanti)
e di strutture (edifici e
ponti) o la ricerca di rotture di condotte idriche
sotterranee.
Scopriremo l’effetto
delle vibrazioni indotte
dal traffico sugli edifici,
o come questi oscillino con il forte vento.
Semplici esercizi di
curiosità o conoscenza,
del resto....fatti non
foste a viver come bruti,
ma per seguir virtute e
conoscenza!
Inoltre, vista l’ampia
poliedricità del progetto,
nulla vieta di sostituire
i sensori che qui utilizzeremo (geofoni) con
altri compatibili, per
adattarlo facilmente alle
nostre esigenze. Costruiremo uno shield per
Arduino molto semplice,
adatto anche ai neofiti
dell’elettronica, in cui
ogni ingresso analogico è amplificato, ed
ognuno sarà dotato di
un partitore di tensione,
stratagemma necessario per registrare onde
sinusoidali. Gestiremo
l’acquisizione visualizzando i dati su pc
in tempo reale, con la
possibilità di salvare
i dati su file excel o di
elaborarli in tempo
reale con funzioni più
o meno complesse, il
tutto grazie a LabVIEW.
ARDUINO E LE SCIENZE
DELLA TERRA
Prima di descrivere nel
dettaglio il progetto una
brevissima introduzione sui terremoti, perché
e dove si generano, quali effetti hanno, come si
misurano.
Per comprendere come
si genera un terremoto
è necessario ricorrere
alla teoria della “tettonica a placche”. Bisogna
Elettronica In ~ Aprile 2012
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immaginare il nostro pianeta
come idealmente costituito da tre
gusci, uno più esterno a comportamento rigido, detto litosfera,
suddiviso in una serie di blocchi,
le placche, ovvero quella parte
di litosfera ricoperta da mari,
foreste e città, che galleggiano su
di un guscio a comportamento
plastico, l’astenosfera.
All’interno di questo, una differenza di temperatura, alimentata dal terzo guscio, il nucleo,
determina la creazione di una
cella convettiva, ovvero un movimento circolare molto lento di
materia rocciosa.
La presenza di più celle convettive
affiancate produce un movimento
reciproco tra placche. Questo tipo
di movimento è fondamentalmente di due tipi, uno di allontanamento, (la dorsale oceanica, il mar
Rosso, il canale di Sicilia ne sono
un esempio), in cui nuova crosta
si forma, o di collisione, in cui la
crosta viene inglobata nell’astenosfera. Esistono due tipologie
di crosta, oceanica e continentale,
che creano tre tipi di collisione. In
Fig. 1 è riportato uno schema della
struttura interna della Terra.
I movimenti che si generano, sebbene difficilmente percepibili alla
scala temporale umana, risultano
molto intensi e producono effetti
molto appariscenti, le eruzioni
vulcaniche delle isole Eolie o le
catene montuose delle Alpi o gli
Appennini ne costituiscono degli
ottimi esempi tutti italiani.
Il continuo spostamento e le
collisioni che ne derivano, producono un progressivo accumulo di
energia nella litosfera, ed avendo
questa un comportamento rigido,
non è in grado di deformarsi
progressivamente, ma rilascia
l’energia accumulata al raggiungimento del punto di rottura, in
modo istantaneo, generando un
terremoto.
Dal punto di vista fisico, un
terremoto è quindi il rilascio di
energia da un punto interno alla
crosta, l’ipocentro, punto da cui
si generano una serie di onde elastiche che si propagano secondo
un modello di sfere concentriche,
in tutte le direzioni, raggiungendo la superficie e manifestandosi
con uno “scuotimento”, a cui si
accompagnano rotture e fratture
della crosta dette “faglie”. In Fig.
2 ne è riportato uno schema.
Le onde sismiche generate in seguito ad un terremoto, vengono
suddivise in onde di volume ed
onde di superficie.
Nella prima categoria, in rela-
zione al movimento assunto
dalle particelle di roccia rispetto
alla direzione in cui si propaga
l’onda si distinguono: le onde
di compressione o longitudinali
(P) in cui le particelle di roccia si
propagano in direzione analoga
alla direzione di propagazione
dell’onda generando una serie
di compressioni/rarefazioni.
Essendo onde di volume, la loro
velocità è legata alle caratteristiche della roccia. A causa della
loro velocità molto alta, anche
di 10 km/s raggiungono rapidamente i sismometri.
Le onde di taglio o trasversali (S)
dove le particelle oscillano con
un movimento perpendicolare
alla direzione di propagazione
dell’onda, hanno velocità compresa tra 2,3 e 4,6 km/s, e non si
propagano nei fluidi. Permettono
di definire il confine tra litosfera
e astenosfera.
ONDE SUPERFICIALI (R E L)
Le onde superficiali, sono la risultante più o meno complessa tra
onde longitudinali e trasversali,
non si manifestano nell’epicentro,
ma solo ad una certa distanza
e sono localizzate in superficie,
sono le principali responsabili
dei danni sulle strutture.
Fig. 2 - Generazione
di un terremoto.
Fig. 1 - Schema della struttura interna della Terra.
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