Hosted by OSOS , contributed by ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ on 14 March 2019
Στα πλάισια του διαγωνισμού
«Φτιάξε τον δικό σου σεισμογράφο» στο πλαίσιο του ευρωπαϊκού έργου H2020 «Open Schools for Open Societies-OSOS»”
μαθητές του Λυκείου Αλοννήσου κλήθηκαν να προτείνουν ιδέες καταγραφής σεισμικών δονήσεων και να υλοποιήσουν την πρότασή τους. Η διάταξη που προτάθηκε στηρίζεται στο φαινόμενο της επαγωγής και στη χρήση μικροελεγκτή arduino.
Feel
- Είναι υπέθυνα για τις καταστροφές που παρατηρούνται.
- Επιτρέπουν την καταγραφή του σεισμού.
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.
Μπορεί μια μαθητική ομάδα να καταγράψει έναν σεισμό;
Imagine
Όλοι έχουν συνδέσει έναν σεισμό με τις δονήσεις που προκαλεί στο μέρος που βρισμόμαστε.
Ο σεισμογράφος
Σεισμογράφος είναι το όργανο με το οποίο γίνεται η παρατήρηση και η καταγραφή των σεισμών.
Κύρια μέρη ενός σεισμογράφου είναι:
- Το σεισμόμετρο, το τμήμα που ανταποκρίνεται στη σεισμική κίνηση.
- Το σύστημα καταγραφής των δεδομένων που δημιουργεί το σεισμόγραμμα.
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.
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:
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 εμβανιστεί στα άκρα του επαγωγική τάση η οποία αν καταγραφεί έχουμε αυτόματα ένα σύστημα καταγραφής των σεισμικών κυμάτων.
Create
Σχεδιασμός του σεισμογράφου
Στο διάγραμμα απεικονίζεται η διάταξη του σεισμογράφου που θα κατασκευάσουμε:
Το σεισμόμετρο
Τις σεισμικές δονήσεις αντιλαμβάνεται ένας μαγνήτης που κρέμεται από ελατήριο στερεωμένο στο πάνω άκρο του. Οι δονήσεις που προκαλεί ο σεισμός θέτουν σε κίνηση τον μαγνήτη που βρίσκεται κοντά σε πηνίο.
Το σύστημα καταγραφής των δονήσεων
Η κίνηση ενός ταλαντούμενου μαγνήτη μπροστά από ένα πηνίο παράγει επαγωγική τάση στα άκρα του. Η τάση αυτή μπορεί να γίνει αντιληπτή και να καταγραφεί αν εφαρμοστεί σε μια θύρα εισόδου ενός μικροελεγκτή.
Επιλέγουμε να την εισάγουμε σε μια θύρα ενός arduino nano το οποίο μπορεί να τη διαχειριστεί όπως επιθυμούμε.
Σύστημα αποθήκευσης δεδομένων
Τα δεδομένα που καταγράφονται (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.
Το ρολόι του συστήματος
Το σύστημά μας πρέπει να διαθέτει ρολόι ώστε να καταγράφονται η διάρκεια του σεισμού και η χρονική στιγμή που έγινε.
Το σύστημα αποστολής δεδομένων και λήψης τους
Τα δεδομένα εκπέμπονται συνεχώς από το σεισμογράφο και μπορούν να ληφθούν από το σύστημα λήψης σε απόσταση. Για αυτό το σκοπό απαιτείται πομποδέκτης. Ένας ίδιος πομποδέκτης απαιτείται να είναι συνδεδεμένος σε laptop ώστε να γίνεται η καταγραφή και απεικόνιση των δεδομένων.
Κατασκευή του σεισμογράφου
Εξαρτήματα:
Μικροελεγκτής: Arduino nano
Αποθήκευση: SD Module & SD card
Ρολόι: RTC DS3221
Πομποδέκτες: Σύστημα 2 APC220
Μαγνήτης
Σύρμα για πηνίο
Επαναφορτιζόμενη μπαταρία τροφοδοσίας 7.2V
Κατασκευή του σεισμόμετρου
Αποτελείται από ένα πηνίο και ένα μαγνήτη με δυνατότητα ταλάντωσης. Η κίνηση του μαγνήτη προκαλεί την εμφάνιση επαγωγικού ρεύματος.
Συναρμολόγηση του σεισμογράφου
Η επαγωγική τάση που παράγεται λόγω των ταλαντώσεων του μαγνήτη υπολογίζεται από το arduino. Τα δεδομένα (χρόνος και τάση) αποθηκεύονται και αποστέλλονται.
Προγραμματισμός του μικροελεγκτή
Έγινε χρήση του ελεύθερου λογισμικού Arduino IDE που επιτρέπει με απλό τρόπο τον προγραματισμό του Arduino.
Το σύστημα λήψης και απεικόνισης των δεδομένων
Η ασύρματη λήψη των δεδομένων από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή γίνεται με τη βοήθεια πομποδέκτη APC220. Η ανάγνωση τους και η απεικόνισή τους γίνεται μέσω του προγράμματος ελεύθερου προγράμματος SerialPlot.
Τελική μορφή του σεισμογράφου
Η διάταξη τοποθετείται σε γυάλινο περίβλημα που της παρέχει προστασία και φορητότητα. Δίνει επίσης και μια νότα της ηλικίας των δημιουργών…
Δοκιμή του σεισμογράφου
Η δοκιμή της διάταξης επιβεβαιώνει την ικανότητα καταγραφής δονήσεων και την απόσβεση των ταλαντώσεων. Η διάρκεια του φαινομένου μπορεί να αξιοποιηθεί για τον υπολογισμό του μεγέθους του σεισμού.