Prawdziwy sejsmograf działa na zaskakująco prostej zasadzie: ciężki przedmiot zawieszony na lince stoi w miejscu, gdy ziemia się rusza. Możesz zbudować działający model w godzinę.

Co nam będzie potrzebne?

Jak wykonać doświadczenie?

Budowa sejsmografu:

Zbuduj lub znajdź stabilną ramę na wysokości ok. 60–80 cm nad podłożem. Może to być półka, dwa krzesła z deską lub własnoręcznie zbudowana konstrukcja z kijów i taśmy.

Zawieś ciężką masę (butelkę z wodą) na sznurku przywiązanym do górnego punktu ramy – tak żeby wisiała swobodnie jak wahadło. Do dolnej części wiszącej masy przymocuj pisak tak, żeby czubek dotykał papieru rozłożonego na podłodze poniżej.

Ułóż długi pas papieru pod pisakiem. Teraz powoli ciągnij papier w jedną stronę (lub ustaw silnik z rolką papieru) – pisak rysuje poziomą linię: to “cisza sejsmiczna”.

Rejestrowanie drgań:

Teraz w trakcie ciągłego przesuwania papieru: uderz pięścią w stół lub podłogę, potrząśnij ramą, poskacz w pobliżu. Pisak zaczyna rysować faliste linie zamiast prostej. Zrób kilka “wstrząsów” o różnej sile i obserwuj, jak różnią się zarejestrowane fale.

Spróbuj zidentyfikować drgania z różnych źródeł: chodzenie vs. bieganie, uderzenie piłką w podłogę vs. uderzenie młotkiem.

Wyjaśnienie naukowe

Sejsmograf działa na zasadzie bezwładności: ciężka masa zawieszona swobodnie na wahadle “nie wie” o drganiach ziemi – jest na nie obojętna, bo jej bezwładność sprawia, że pozostaje w spoczynku, gdy podłoże się rusza.

Gdy podstawa sejsmografu porusza się z ziemią (podczas trzęsienia), masa na wahadle zostaje w miejscu. Względem poruszającej się ramy masa wykonuje ruch – i ten ruch względny pisak rejestruje na papierze.

Im cięższa masa, tym mocniej “opiera się” drganiom i tym dokładniejszy zapis. Dlatego prawdziwe sejsmografy używają mas ważących setki kilogramów lub korzystają z masy Ziemi samej jako układu odniesienia (sejsmometry superprzewodzące).

Fale sejsmiczne dzielimy na:

Na sejsmogramie trzęsienia ziemi widać te trzy grupy fal rozdzielone w czasie. Różnica w czasie przybycia fal P i S pozwala obliczać odległość od epicentrum trzęsienia.

Skala Richtera mierzy amplitudę fal sejsmicznych (logarytmicznie: każda kolejna jednostka to 10-krotnie większa amplituda i ok. 30-krotnie więcej energii).

Warianty

Sejsmograf poziomy i pionowy – zbuduj dwa sejsmografy: jeden rejestrujący drgania poziome (masa wisi jak wahadło), drugi rejestrujący pionowe (masa wisi na sprężynie). Prawdziwe stacje sejsmiczne mają co najmniej trzy komponenty: dwa poziome i jeden pionowy.

Rejestracja przejścia ciężarówki – postaw sejsmograf na podłodze przy oknie wychodzącym na ruchliwą ulicę. Obserwuj, czy przejeżdżające ciężarówki lub tramwaje są wykrywalne. Prawdziwe stacje sejsmiczne rejestrują “szum urbanistyczny” od ruchu drogowego.

Kalibracja – uderz podłogę z mierzoną siłą (np. upuść ciężarek z określonej wysokości) i zmierz amplitudę zapisu. Powtórz z różnymi wysokościami upuszczania. Narysuj wykres: siła uderzenia vs. amplituda pisaka. Kalibrujesz swój sejsmograf.

Często zadawane pytania

Jak naukowcy wiedzą, że trzęsienie ziemi jest daleko, a nie blisko? Z różnicy czasu między przybyciem fal P i S. Fale P poruszają się ok. 6–8 km/s, fale S ok. 3–5 km/s. Im dalej epicentrum, tym większa przerwa między pierwszym a drugim uderzeniem na sejsmogramie. Mając dane z co najmniej trzech stacji sejsmicznych na różnych kontynentach, można triangulować dokładne położenie epicentrum.

Czy można zmierzyć siłę trzęsienia ziemi naszym sejsmografem? Możemy rejestrować drgania i porównywać amplitudy, ale kalibracja do skali Richtera lub momentu sejsmicznego wymaga bardzo precyzyjnych instrumentów. Nasz model działa jak detektor jakościowy – mówi czy były drgania i jak duże względnie, ale nie da bezwzględnej miary siły.

Dlaczego w Polsce są stacje sejsmiczne, skoro nie mamy trzęsień ziemi? Mamy – tylko słabsze. Polska ma dwa obszary aktywności sejsmicznej: Sudety (tektonicznie aktywne) i Górnośląskie Zagłębie Węglowe (wstrząsy górnicze). Poza tym globalna sieć stacji pozwala triangulować trzęsienia na całym świecie, monitorować próby jądrowe i badać strukturę wnętrza Ziemi.