Φτιάξε το δικό σου σεισμογράφο - Γενικό Λύκειο Αυλωναρίου Ευβοίας

Hosted by OSOS , contributed by zygouritsas on 17 April 2018

Παρουσίαση της συμμετοχής του Γενικού Λυκείου Αυλωναρίου Ευβοίας στο διαγωνισμό - Φτιάξε το δικό σου σεισμογράφο.

Learning Objectives
Συνεργασία, δημιουργικότητα
Teacher: zygouritsas
Age group
15-18
Students participating
4
Thematic Area: Mathematics

Γενικό Λύκειο Αυλωναρίου Ευβοίας,

Χάνια Αυλωναρίου, 34009

Τηλ.: +302223031439

e-mail: mail@lyk-avlon.eyv.sch.gr

 

Αισθάνομαι

Η Σεισμολογία  είναι θεμελιώδης για να κατανοήσουμε τη δυναμική του πλανήτη μας. Διαδραματίζει ζωτικό ρόλο στην παρακολούθηση των φυσικών και ανθρώπινων σεισμογόνων παραγόντων. Απαιτεί γνώση της Γεωλογίας και της Φυσικής, αλλά και άλλων κλάδων (του πολιτικού μηχανικού, των περιβαλλοντικών επιστημών, της κρατικής πολιτικής, της γεωγραφίας και της γεωτεχνικής). Τα οφέλη της στη σχολική εκπαίδευση  είναι περισσότερα από την απλή παροχή επιστημονικής γνώσης. Παρέχει τη βάση για ενημερωμένη δράση, για την προστασία της ζωής και της περιουσίας σε τοπικό, περιφερειακό και εθνικό επίπεδο. Η Ελλάδα είναι μια ιδιαίτερα σεισμογενής χώρα. Τον Απρίλιο του 2017 στο σχολείο μας εγκαταστάθηκε ο σεισμογράφος TC1. Τότε προκλήθηκε το πρώτο ενδιαφέρον για να ασχοληθούμε με το φαινόμενο σεισμός και τις συνέπειες του. Έτσι, ένα χρόνο μετά οδηγηθήκαμε στην κατασκευή του σεισμογράφου.
 
Εικ. 1 Από τις αρχικές ενημερωτικές συναντήσεις 
 

Φαντάζομαι

Ακολουθήσαμε τις φάσεις:

  • Προσανατολισμού
  • Έρευνας
  • Σχεδιασμού 
  • Κατασκευής
  • Δοκιμών
  • Καταγραφών
  • Συμπερασμάτων

Φάση Προσανατολισμού

Στόχος μας ήταν να προκαλέσουμε  το ενδιαφέρον για το φαινόμενο του σεισμού και τις συνέπειες του. Ξεκινήσαμε βλέποντας  σεισμογράμματα από σεισμούς που έχει καταγράψει ο σεισμογράφος του σχολείου μας (TC1). Μάθαμε να υπολογίζουμε την εστιακή απόσταση και το μέγεθος των σεισμών.
Έτσι άρχισε αυτό το ταξίδι...
Φάση Σχεδιασμού
Αρχίσαμε να συγκεντρώνουμε  πληροφορίες για τους σεισμούς.
•Τι είναι σεισμός;
•Γιατί συμβαίνουν σεισμοί συχνά στην Ελλάδα;
•Πως οι επιστήμονες μελετούν τους σεισμούς;
•Έτσι, βρεθήκαμε αντιμέτωποι με όρους όπως, λιθοσφαιρικές πλάκες, εστία, επίκεντρο, μέγεθος, σεισμικά κύματα,  όργανα καταγραφής κ.α.

Ο σεισμός είναι μια «δόνηση» του εδάφους που γεννιέται από το ξαφνικό σπάσιμο  και την μετακίνηση πετρωμάτων στον φλοιό της γης (σχετικές κινήσεις λιθοσφαιρικών πλακών ) αλλά και σε εκρήξεις (ανθρώπινη παρέμβαση). Οι περισσότεροι σεισμοί συμβαίνουν κατά μήκος των ρηγμάτων όταν η μια τεκτονική πλάκα ολισθαίνει δίπλα στην άλλη ή συγκρούεται η μία με την άλλη. 

                     Εικ. 2 Παγκόσμιος χάρτης σεισμών

Στις περιοχές αυτές εκπέμπονται σεισμικά κύματα που μπορεί να μεταβάλουν την επιφάνεια της Γης, ανοίγοντας ρωγμές στο έδαφος, προκαλώντας ηφαιστειακές εκρήξεις, τσουνάμι και μεγάλες ζημιές σε ανθρώπινες κατασκευές.

   

Εικ. 3  Εργοστάσιο Ricomex, 1999                           Εικ. 4   Ζάκυνθος 2006

Τα σεισμικά κύματα εκπέμπονται από την σεισμική πηγή. Διαδίδονται με ταχύτητες που εξαρτώνται από τις ελαστικές ιδιότητες και την πυκνότητα του μέσου μέσα στο οποίο ταξιδεύουν. Μεταφέρουν ενέργεια. Καταγράφονται στους σεισμογράφους. Οι κύριοι τύποι σεισμικών κυμάτων είναι τα κύματα χώρου (body waves) και τα κύματα επιφανείας (surface waves). Τα κύματα χώρου ταξιδεύουν μέσα από τα εσωτερικά στρώματα της γης. Η συχνότητα τους είναι υψηλότερη από τη συχνότητα των επιφανειακών κυμάτων και φτάνουν πριν από αυτά. Οι δύο κύριοι τύποι είναι τα διαμήκη πρωτεύοντα κύματα (P - κύματα) και τα εγκάρσια δευτερεύοντα κύματα (S- κύματα). Τα κύματα επιφάνειας ταξιδεύουν μόνο κατά μήκος της επιφάνειας του φλοιού της γης. 

Διαμήκη κύματα (P- κύματα): τα σωματίδια του μέσου ταλαντώνονται παράλληλα προς την διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Διαδίδονται στα στερεά υγρά και αέρια.

Εγκάρσια κύματα (S – κύματα): τα σωματίδια του μέσου ταλαντώνονται κάθετα προς την διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Διαδίδονται στα στερεά αλλά δεν μπορούν να περάσουν από υγρό μέσο. Τα P- κύματα ταξιδεύουν με μεγαλύτερες ταχύτητες σε σχέση με τα S - κύματα και καταγράφονται πρώτα στους σεισμογράφους. 

Εικ. 5 Διαμήκη πρωτεύοντα κύματα (P - κύματα) Εγκάρσια δευτερεύοντα κύματα (S- κύματα)

Σεισμικές  παράμετροι:

Η Εστία (ή υπόκεντρο): Είναι η αρχή του σεισμού. Το σημείο στο οποίο τα πετρώματα αρχίζουν να σπάνε.

Το Επίκεντρο: Είναι το σημείο στην επιφάνεια της Γης ακριβώς πάνω από την εστία.

Το Ρήγμα (fault): Είναι  η διακοπή της συνέχειας μιας ομάδας στρωμάτων πετρωμάτων του στερεού φλοιού της Γης εκατέρωθεν της οποίας πραγματοποιείται σχετική κίνηση των στρωμάτων. 

Το Εστιακό βάθος: Είναι το βάθος στο οποίο βρίσκεται η Εστία. 

Το Μέγεθος: είναι το μέτρο της ολικής ενέργειας που εκλύεται κατά τη γένεση του σεισμού και υπολογίζεται από μετρήσεις διαφόρων σεισμικών παραμέτρων (πλάτος, διάρκεια, περίοδος) πάνω στα σεισμογράμματα όπου καταγράφονται τα σεισμικά κύματα. Μετράται με την κλίμακα Ρίχτερ που αναπτύχθηκε από τον Charles F. Richter το 1934. Είναι μια κλίμακα που βασίζεται σε μια φόρμουλα που χρησιμοποιεί το πλάτος του μεγαλύτερου κύματος που καταγράφεται σε ένα συγκεκριμένο τύπο σεισμομέτρου (Wood-Anderson) και την απόσταση μεταξύ του σεισμού και του σεισμογράφου.

       Εικ. 5 Εστία, Επίκεντρο, Ρήγμα, Εστιακό βάθος

Φάση Έρευνας

Οι μαθητές αναζήτησαν την αρχή λειτουργίας ενός σεισμογράφου. 

Εικ. 6 Κύρια μέρη σεισμογράφου

Ο σεισμογράφος είναι μια διάταξη που αποτελείται από έναν αισθητήρα που εντοπίζει την κίνηση του εδάφους και ονομάζεται σεισμόμετρο και ένα σύστημα καταγραφής των δεδομένων. Η ανίχνευση της δόνησης μπορεί να γίνει με ένα εκκρεμές ή μια μάζα συνδεδεμένη σε ένα ελατήριο. Το ελατήριο και η μάζα στηρίζονται σε ένα πλαίσιο που κινείται μαζί με την επιφάνεια της γης. Καθώς η γη κινείται, η σχετική κίνηση μεταξύ του βάρους και της γης μπορεί να καταγραφεί και να δώσει ένα ιστορικό της κίνησης (της γης).

Η καταγραφή των δεδομένων μπορεί να γίνει αναλογικά (π.χ. γραφίδα) ή ψηφιακά ( π.χ. προγράμματα AmaSeis , Auducity ). Επίσης, περιλαμβάνει ένα σύστημα απόσβεσης καθώς και ένα σύστημα ενίσχυσης του σήματος. 

Δημιουργώ

Φάση κατασκευής

Η ιδέα   Αποτέλεσμα εικόνας για ΙΔΕΑ

Για την ανίχνευση των σεισμικών δονήσεων σκεφθήκαμε να χρησιμοποιήσαμε πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες.
Εικ. 7 Πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας 
Η ιδέα ήταν να προσαρμόσουμε μια ράβδο ή ένα ελατήριο σε έναν πιεζοηλεκτρικό αισθητήρα, μέσω του οποίου η ταλάντωση θα μετατραπεί σε διαφορά δυναμικού. Ο πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για να μετρήσει τις μεταβολές της πίεσης, της επιτάχυνσης, της θερμοκρασίας, της δύναμης, μετατρέποντάς τες σε ηλεκτρικό ρεύμα.
 
      
 
 
 
                                                  Εικ. 8 Φάσεις κατασκευής 
Οι πρώτες δοκιμές ήταν ενθαρρυντικές. Η καταγραφή του σήματος έγινε σε υπολογιστή με το πρόγραμμα καταγραφής ήχου Αudacity.
Δοκιμάσαμε δυο διατάξεις την (α) και (β)
 
 
 
 
                                Εικ. 9 Διατάξεις α και β
 
Καλύτερα αποτελέσματα πήραμε με την διάταξη  (α), με την οποία προχωρήσαμε σε περαιτέρω δοκιμές.   
 
Οι δοκιμές 
 
Για να προσομοιώσουμε μια σεισμική δόνηση χρησιμοποιήσαμε τη σφαίρα της σφαιροβολίας από το αθλητικό υλικό του σχολείου μας.  Την αφήσαμε ελεύθερη  από ύψος 1,20m και σε αποστάσεις από το σεισμόμετρο  1m, 3m και  5m. Δοκιμάσαμε με διαφορετικό μήκος ράβδου και διαφορετική μάζα στο άκρο της. Ενισχύσαμε το σήμα με έναν απλό ενισχυτή κιθάρας. 
 
Εικ. 10 Το σεισμόμετρο στερεωμένο με σφικτήρες πάνω στους πάγκους εργασίας του εργαστηρίου - Ενισχυτής
 
 
Εικ. 11 Το σεισμόμετρο μας όπως αποδόθηκε από την μαθήτρια Ζαφειρία Ν.
Χαρακτηριστικά  σεισμομέτρου 1 (S1):  μεγάλο  μήκος ράβδου, μικρή μάζα. Ρίψεις σφαίρας από αποστάσεις 1 m, 3m, 5m
 

 Εικ.  12 Καταγραφές (α) χωρίς ενισχυτή και ( β) με ενισχυτή (en)

Χαρακτηριστικά  σεισμομέτρου 2 (S2):  μεγάλο  μήκος ράβδου , μικρή μάζα. Ρίψεις σφαίρας από αποστάσεις 1 m, 3m, 5m

 

Εικ. 13 Καταγραφές (α) χωρίς ενισχυτή και ( β) με ενισχυτή (en)

Χαρακτηριστικά  σεισμομέτρου 3 (S3):  μεγάλο  μήκος ράβδου, μικρή μάζα. Ρίψεις σφαίρας από αποστάσεις 1 m, 3m, 5m

Εικ. 14 Καταγραφές (α) χωρίς ενισχυτή και ( β) με ενισχυτή (en)
 
 
             Εικ. 15 Σεισμόμετρα 1, 2, 3 σε απόσταση 3m με ενισχυτή.
 
Εικ. 16 Σεισμόμετρα 1, 2, 3 σε απόσταση 5m, χωρίς και με ενισχυτή.
Τελικά, καλύτερο σήμα παρατηρήθηκε στη διάταξη με την ράβδο  μεγάλου  μήκους.  Η μεγαλύτερη μάζα έδωσε ασθενέστερο σήμα.
Στη συνέχεια έγινε έλεγχος ευαισθησίας σε σχέση   με τον προσανατολισμό του αισθητήρα. Μεταβάλλοντας τον προσανατολισμό του αισθητήρα, διαπιστώσαμε μικρή διαφορά στο σήμα, η οποία  όμως δεν επιτρέπει  τον εντοπισμό  της κατεύθυνσης της πηγής.
 
Εικ. 17  Καταγραφές με διαφορετικό προσανατολισμο του αισθητήρα
Τοποθετήσαμε τη διάταξη μέσα σε σωλήνα προσαρμοσμένο στο δάπεδο.
 
Εικ. 18 Η διαταξη μέσα στον σωλήνα
Προς μεγάλη μας απογοήτευση τα σήματα που καταγράψαμε ήταν χειρότερο.
Εικ. 19 Ασθενή σήματα
Αποφασίσαμε να ακούσουμε τις προηγούμενες καταγραφές και διαπιστώσαμε ότι καταγράφαμε κυρίως ηχητικά κύματα.
Το μειωμένο σήμα οφειλόταν στη ύπαρξη του σωλήνα. Κουνώντας με το χέρι τον σεισμογράφο λαμβάναμε σήμα. Εφόσον καταγράφαμε  δόνηση, σκεφθήκαμε να τοποθετήσαμε το σεισμογράφο σε πλατφόρμα την οποία υποβάλαμε σε ταλάντωση. 
 
                               Εικ. 20 Η πλατφόρμα
 
 
 
Εικ. 21 Ο Σεισμογράφος υποβάλλεται σε ταλάντωση
 
  
                              Εικ. 22 Καταγραφές κατά την τάλαντωση 

Επιτέλους, καταγράφαμε σήμα κυρίως από τη δόνηση.

 

Μοιράζομαι

Συμπεράσματα 
Αναπτύξαμε δεξιότητες για το πως κάνουμε μια επιστημονική έρευνα, αντιληφθήκαμε πώς οι επιστήμονες μελετούν ένα φαινόμενο, διερευνήσαμε ιδέες μέσω πρακτικών παρατηρήσεων και δημιουργήσαμε εξηγήσεις για το τι παρατηρούμε, συγκεντρώσαμε στοιχεία από τις παρατηρήσεις, αναζητήσαμε πληροφορίες, συγκρίναμε μεθόδους, συνεργαστήκαμε, συζητήσαμε για τη συνολική διαδικασία. Επιπρόσθετα, μέσα από τη συμμετοχή μας στο διαγωνισμό γνωρίσαμε το φαινόμενο σεισμός και ευαισθητοποιηθήκαμε απέναντι στα μέτρα προστασίας από σεισμούς.
Πως θα μοιραστούμε τη δραστηριότητα
Αρχικά, από την ομάδα που συμμετείχε στο διαγωνισμό, έγιναν δύο δράσεις: Βελτιώσεις στο αντισεισμικό σχεδιασμό του εργαστηρίου Φυσικών Επιστημών και μια εικαστική προσέγγιση  στον τρόπο αντιμετώπισης σεισμού. 
 
  
Εικ. 23 Το εργαστήριο Φυσικών επιστημών πριν και μετά την παρέμβαση
 
Εικ. 24 Εικαστική παρέμβαση από τη μαθήτρια Ζαφειρία Ν.
Θα παρουσιάσουμε τη δράση μας στο σχολείο και θα προχωρήσουμε σε άλλες ανάλογες δράσεις  βελτιώνοντας γενικότερα τον αντισεισμικό του σχεδιασμό.
Για να προκαλέσουμε το γενικότερο ενδιαφέρον και την ευαισθητοποίηση στην αντισεισμική προστασία:
  • θα παρουσιάσουμε τη δραστηριότητα σε ομάδα όμορων σχολείων και στη δημιουργική εβδομάδα των σχολικών δραστηριοτήτων του νομού.
  • σε συνεργασία με τοπικούς φορείς, μέσω ημερίδας, θα την γνωστοποιήσουμε στην ευρύτερη τοπική κοινωνία.  
  • θα αναρτηθεί στην ιστοσελίδα του σχολείου