Hosted by OSOS , contributed by ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ on 10 June 2021
Στα πλαίσια του διαγωνισμού «Φτιάξε τον δικό σου ψηφιακό σεισμογράφο» που διοργανώνει η Ελληνογερμανική Αγωγή σε συνεργασία με το Γεωδυναμικό Ινστιτούτο του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών και το Ινστιτούτο Εκπαιδευτικής Πολιτικής (Ι.Ε.Π.) μια ομάδα μαθητών του Γενικού Λυκείου Αλμυρού αποφάσισαν να δημιουργήσουν μια ψηφιακή συσκευή καταγραφής σεισμικών δονήσεων και να τη συνδιάσουν με σύστημα εκφώνησης οδηγιών κατά τη διάρκεια σεισμού. Η όλη ιδέα στηρίζεται στο φαινόμενο της επαγωγής, στη χρήση μικροελεγκτή arduino και στη χρήση εφαρμογής σε κινητό android.
Αισθάνομαι
Στις 3 Μαρτίου 2021, στις 12:16, ώρα μαθήματος στο σχολείο μας, συνέβη ο μεγάλος σεισμός μεγέθους 6.3 βαθμών της κλίμακας Ρίχτερ στην περιοχή της Ελασσόνας. Ο σεισμός έγινε ιδιαίτερα αισθητός στην περιοχή του Αλμυρού.
Ζήσαμε ως μαθητές την εμπειρία του ισχυρού σεισμού εντός της τάξης μας. Μέχρι να συνειδητοποιήσουμε τι συμβαίνει είχαν περάσει αρκετά δευτερόλεπτα. Η ψυχραιμία του καθηγητή μας βοήθησε να ακολουθήσουμε τα μέτρα προστασίας και να προφυλαχθούμε αρχικά κάτω από τα θρανία και στη συνέχεια να ακολουθήσουμε το σχέδιο αποχώρησης.
Επειδή υπάρχει πιθανότητα σε περίπτωση σεισμού να μη διατηρηθεί η απαραίτητη ψυχραιμία και τα πράγματα να μην εξελιχθούν όπως πρέπει, αποφασίσαμε να δοκιμάσουμε να δημιουργήσουμε μια κατασκευή η οποία να παρέχει αρχικές οδηγίες προς τους μαθητές ώστε να αποτραπεί πιθανός πανικός.
Φαντάζομαι
Ο σεισμός προκαλείται από ξαφνική απελευθέρωση ενέργειας στο φλοιό και μπορεί να οφείλεται σε φυσική διεργασία όπως η μετακίνηση των λιθοσφαιρικών πλακών ή σε μια ανθρώπινη δραστηριότητα όπως μια πυρηνική έκρηξη.
Συνοδεύεται από σεισμικά κύματα που μεταφέρουν την ενέργεια που ελευθερώνεται. Τα σεισμικά κύματα:
- Είναι υπεύθυνα για τις καταστροφές που παρατηρούνται.
- Επιτρέπουν την καταγραφή του σεισμού.
Ο σεισμογράφος
Σεισμογράφος είναι το όργανο με το οποίο γίνεται η παρατήρηση και η καταγραφή των σεισμών. Κύρια μέρη του είναι:
- Το σεισμόμετρο, το τμήμα που ανταποκρίνεται στη σεισμική κίνηση.
- Το σύστημα καταγραφής των δεδομένων που δημιουργεί το σεισμόγραμμα.
Με τη βοήθεια σεισμογράφων σε κάθε σεισμό προσδιορίζονται:
- Η εστία, το ακριβές σημείο που έγινε ο σεισμός.
- Το επίκεντρο, το σημείο στην επιφάνεια της Γης που βρίσκεται στην ίδια κατακόρυφη με την εστία του σεισμού.
- Το εστιακό βάθος, η απόσταση της εστίας από το επίπεδο της επιφάνειας της θάλασσας.
- Το μέγεθος, που σχετίζεται με την ενέργεια που απελευθερώνεται σε έναν σεισμό. Η ποσότητα αυτή είναι μοναδική για κάθε σεισμό. Το μέγεθος μετράται με την κλίμακα Richter.
- Η ένταση, που σχετίζονται με τις συνέπειες σε μια περιοχή. Είναι μια ποσότητα που διαφορετική για κάθε περιοχή και μετράται με την κλίμακα Mercalli.
Η χρησιμότητα του σεισμογράφου
Ένας σεισμογράφος δεν προβλέπει σεισμούς αλλά τους καταγράφει. Αυτό επιτρέπει τη δημιουργία ενός ιστορικού σεισμών για κάθε περιοχή που καθορίζει τον αντισεισμικό κανονισμό κατασκευής κτηρίων. Η γνώση του μεγέθους ενός σεισμού καθορίζει το μέγεθος της κινητοποίησης της κρατικής μηχανής για την αντιμετώπιση των συνεπειών του. Επίσης, σε κάποιες περιοχές επιβάλλεται προειδοποίηση για την πιθανότητα δημιουργίας τσουνάμι. Η ακολουθία μικροσεισμών σε μια περιοχή μερικές φορές προδίδει τον ερχομό ενός μεγάλου σεισμού. Αυτό επιβάλει την ύπαρξη ετοιμότητας από την πολιτεία για άμεση επέμβαση αμέσως μετά τον πιθανό σεισμό και την ενημέρωση των πολιτών για το πώς πρέπει να συμπεριφερθούν σε έναν πιθανό σεισμό. Η ανάλυση στατιστικών σεισμικών δεδομένων μπορεί να προβλέψει την αυξημένη πιθανότητα εκδήλωσης ενός μεγάλου σεισμού σε μια περιοχή χωρίς να προσδιορίζονται βέβαια ακριβώς το μέγεθος, ο χρόνος εκδήλωσης και το επίκεντρο του σεισμού. Είναι μια πληροφορία χρήσιμη για την προετοιμασία έναντι του σεισμού (ενεργοποίηση πολιτικής προστασίας).
Τρόποι καταγραφής δονήσεων
Οι σεισμικές δονήσεις θέτουν σε κίνηση τα αντικείμενα. Αν μπορέσουμε να μετατρέψουμε σε ηλεκτρικό σήμα την κίνηση αυτή, μπορούμε να την καταγράψουμε. Ένας τρόπος είναι με τη βοήθεια του φαινομένου της επαγωγής:
Η μεταβολή της μαγνητικής ροής σε ένα πηνίο έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση επαγωγικής τάσης στα άκρα του.
Επομένως μπορούμε να αξιοποιήσουμε το φαινόμενο της επαγωγής για την καταγραφή δονήσεων:
Αν τοποθετήσουμε ένα μαγνήτη που μπορεί να κινείται μπροστά σε ένα πηνίο, οι δονήσεις ενός σεισμού θα κινήσουν το μαγνήτη, θα μεταβληθεί η μαγνητική ροή στο πηνίο, θα εμφανιστεί στα άκρα του επαγωγική τάση η οποία αν καταγραφεί έχουμε αυτόματα ένα σύστημα καταγραφής των σεισμικών κυμάτων.
Απλή περιγραφή του φαινομένου της επαγωγής: Ο στρεφόμενος μαγνήτης προκαλεί επαγωγική τάση και το λαμπάκι ανάβει.
Δημιουργώ
Περιγραφή του σεισμογράφου μας
Στο σχεδιάγραμμα δίνεται η λογική του σεισμογράφου που θα κατασκευάσουμε:
Διάγραμμα σεισμογράφου
Το σεισμόμετρο
Αποτελείται από έναν μαγνήτη που μπορεί να κινείται μέσα σε έναν κατακόρυφο σωλήνα.
Ο μαγνήτης αιωρείται γιατί στη βάση του σωλήνα βρίσκεται τοποθετημένος μαγνήτης με τέτοιον τρόπο ώστε να απωθεί τον αιωρούμενο μαγνήτη. Γύρω από το σωλήνα είναι τυλιγμένο καλώδιο που δημιουργεί πηνίο. Τις σεισμικές δονήσεις αντιλαμβάνεται ο αιωρούμενος μαγνήτης. Οι δονήσεις που προκαλεί ο σεισμός θέτουν σε κίνηση τον μαγνήτη που βρίσκεται κοντά στο πηνίο. Η κίνηση του μαγνήτη μπροστά από το πηνίο παράγει επαγωγική τάση στα άκρα του. Η τάση αυτή μπορεί να καταγραφεί αν εφαρμοστεί σε μια θύρα εισόδου ενός arduino.
Το σύστημα καταγραφής των δονήσεων
Συνδέουμε τα άκρα του πηνίου σε μια αναλογική θύρα του arduino mega. Το arduino μπορεί να την υπολογίσει και να την αποστείλει όπου επιθυμούμε. Διαθέτει ταυτόχρονα και τις απαιτούμενες σειριακές θύρες.
Καταγραφή της επαγωγικής τάσης
Σύστημα αποθήκευσης δεδομένων
Τα δεδομένα που υπολογίζει ο μικροελεγκτής (επαγωγική τάση και αντίστοιχη χρονική στιγμή) καταγράφονται σε κάρτα SD στο arduino. Το σύστημα αποθηκεύει μόνο αξιόλογες δονήσεις (από την αρχή της δόνησης και για 10 s μετά το πέρας της) και όχι συνεχώς τα δεδομένα ώστε να μην υπάρχει θέμα χωρητικότητας της κάρτας αλλά και δυσκολία επεξεργασίας τους.
Το ρολόι του συστήματος
Το σύστημά μας πρέπει να διαθέτει ρολόι ώστε να καταγράφεται η χρονική στιγμή που έγινε ο σεισμός και να υπολογίζεται η διάρκειά του.
Το σύστημα αποστολής δεδομένων σε υπολογιστή
Τα δεδομένα αποστέλλονται συνεχώς από το σεισμογράφο και μπορούν να ληφθούν από υπολογιστή και να καταγραφούν και να απεικονιστούν σε πραγματικό χρόνο. Η σύνδεση με τον υπολογιστή γίνεται με καλώδιο USB το οποίο ταυτόχρονα τροφοδοτεί το σύστημα με ενέργεια.
Το σύστημα αποστολής δεδομένων σε κινητό
Όταν η μετρούμενη ένταση των δονήσεων δεν είναι μηδέν, αποστέλλεται κωδικός μέσω Bluetooth στο κινητό. Διαφορετικός κωδικός στέλνεται 5 δευτερόλεπτα μετά το τέλος των δονήσεων.
Η εφαρμογή εκφώνησης οδηγιών στο κινητό
Έχουμε δημιουργήσει με το App Inventor εφαρμογή που συνδέεται με το arduino μέσω Bluetooth. Με τη λήψη του αρχικού κωδικού, η εφαρμογή εκφωνεί:
«Προσοχή! Σεισμός! Μείνετε προστατευμένοι!»
Μετά το τέλος των δονήσεων, η εφαρμογή λαμβάνει δεύτερο κωδικό. Τότε, η εφαρμογή εκφωνεί:
«Επιτέλους τέλος! Ακολουθήστε τις οδηγίες του καθηγητή σας!»
Στάδιο κατασκευής του σεισμογράφου μας
Για την κατασκευή του σεισμογράφου μας χρησιμοποιήσαμε τα ακόλουθα εξαρτήματα:
Μικροελεγκτής: Arduino mega
Αποθήκευση: SD Module & SD card
Ρολόι: RTC DS3221
Bluetooth Module: HC05
Δύο μαγνήτες
Σύρμα για πηνίο
Κατασκευή του σεισμόμετρου
Αποτελείται από ένα πηνίο και ένα μαγνήτη με δυνατότητα ταλάντωσης. Η κίνηση του μαγνήτη προκαλεί την εμφάνιση επαγωγικού ρεύματος.
Τελική μορφή του σεισμογράφου
Τελική μορφή σεισμογράφου
Οι δοκιμές μας επιβεβαιώνουν την καλή λειτουργία του σεισμογράφου μας και την αποτελεσματική ικανότητα ενημέρωσης των μαθητών κατά τη διάρκεια σεισμού.
Η όλη κατασκευή και οι δοκιμές μας περιγράφονται στο βίντεο που ακολουθεί.
Video: