Dlaczego ziemia drży?

Doświadczenie 1

Weź cztery drewniane mieszadełka do kawy. Dwa pozostaw bez zmian (A i B). Na trzecie (C) naklej po jednej stronie taśmę klejącą. W połowie długości czwartego (D) ostrym nożem zrób blisko siebie 5–6 poprzecznych nacięć/rowków. Złóż dwa mieszadełka na krzyż jak na rysunku w kolejności: A i B, A i C, A i D. Trzymaj je tylko za końce. Dociskając jedno do drugiego, powoli przesuwaj jedno mieszadełko po drugim (np. A po B). W którym przypadku pojawiają się wibracje?

Wyjaśnienie: Gdyby ruch płyt litosfery zachodził gładko (jak w przypadku użycia mieszadełek A i C), nie zaobserwowalibyśmy żadnych istotnych drgań. Ale już nierówna powierzchnia drewna (wariant A i B) zacina ruch, wprawiając mieszadełko A w zauważalne drgania. Tak powstaje większość ledwie odczuwalnych trzęsień ziemi. Jeśli jednak płyty zetkną się obszarami gwałtownie zwiększającymi tarcie lub zaklinowującymi skały, dochodzi do znacznych naprężeń, których rozluźnienie wywołuje silniejsze drgania – niebezpieczniejsze trzęsienie ziemi. Taki efekt zauważymy w przypadku A i D.

Doświadczenie 2

Weź dwie myjki do naczyń i połóż jedną na drugą tak, aby powstał kształt litery T (patrz rysunek). Trzymaj mocno dolną gąbkę w połowie jej długości. Górną gąbkę przesuwaj po dolnej, obserwując jej odkształcenia. Co dzieje się, gdy nagle na chwilę odsuniesz górną gąbkę od naprężonej dolnej gąbki?

Wyjaśnienie: Gąbka jest ciałem stałym, ale podatnym na odkształcenia – ugina się, napręża. Naprężona ziemia może tego nie wytrzymać i pęknąć lub powrócić do pierwotnej formy, gdy osłabnie tarcie okolicznych skał – symuluje to odsunięcie od siebie gąbek. Do takiego rozluźnienia może dojść pod wpływem słabszych wstrząsów. Wiele dużych trzęsień ziemi poprzedzają tzw. wstrząsy wstępne, niejako zapowiadające, ale prawdopodobnie także je inicjujące

Doświadczenie 3

Trzy lub cztery identyczne puszki z napojami połóż na boku, a na nich książkę w twardej oprawie. Puszki staną się rolkami, na których rozbujasz książkę, symulując trzęsienie ziemi. Na książce ułóż wieżę z 3–5 pojemników na mocz i zaobserwuj, jak rozkołysanie podłoża wpływa na jej stabilność. Potem gorącym gwoździem zrób otwór na środku dna i pokrywki w pojemnikach. Przez otwór przełóż patyczek do szaszłyków. Czy tak wzmocniona konstrukcja wieży wytrzymuje bujanie?

Wyjaśnienie: Pagody – wieże azjatyckich świątyń – opierały się drganiom dzięki wzmocnionej wewnętrznej kolumnie, zapewniającej większą stabilność wysokiej konstrukcji. Współczesne wysokie budynki także bazują na sprytnych rozwiązaniach. Np. szczytową część wieżowca zajmuje komora z wielkim wahadłem, stabilizującym budynek wprawiony w drgania – ten wewnętrzny ruch wytraca energię, podobnie jak ruch żółtka w jajku wprawionym w ruch obrotowy (surowym jajkiem trudno zakręcić, a ugotowanym łatwo).

Doświadczenie 4

Weź duże pudełko o kształcie prostopadłościanu. W mniejszym boku zrób otwór i przewlecz przez niego nić obciążoną na końcu plasteliną. Powstało wahadło osadzone w ramie. Pod wahadłem postaw miskę wypełnioną piaskiem (lub cukrem). W plastelinę wbij skuwkę długopisu tak, aby zwisająca luźno skuwka dotykała piasku. Stuknij w pudełko, żeby uruchomić wahadło. Urządzenie można także umieścić na platformie z doświadczenia 3.

Wyjaśnienie: W XVIII-wiecznych Włoszech opracowano szereg sejsmometrów, z których większość wykorzystywała wahadło. Jedno z prostszych, przypominających nasz model z doświadczenia, wymyślił w 1731 r. Niccolò Cirillo. Podczas trzęsienia ziemi wychylenie wahadła znaczyło ślady w piasku, co pozwalało określić kierunek drgań i ich siłę. Udoskonalono te urządzenia, dodając do wahadła rysik czy mechanizm zegarowy (uruchamiany np. poprzez zerwanie włosa przyczepionego do wahadła), a potem mechanizm także obracający bębnem z rolką papieru – to już pierwszy prawdziwy sejsmograf.

Doświadczenie 5

Z bloku technicznego wytnij trzy paski o szerokości ok. 5 cm i długości ok. 21, 15 i 10 cm. Włóż je między strony książki w twardej oprawie, tak aby po jej zamknięciu wystawały z dłuższej krawędzi, zachowując różnice w długości. Trzymając książkę w prawej ręce, ustaw ją tak, aby paski papieru dobrze udawały budynki o różnej wysokości. Wnętrzem lewej dłoni uderzaj w książkę niczym w tamburyn, zachowując stały rytm (częstotliwość). Przetestuj różne częstotliwości (np. 2 uderzenia na sekundę kontra 10 uderzeń na sekundę) i ich wpływ na bujanie się pasków. Wymaga to wprawy i poćwiczenia. Pamiętaj, że chodzi o rytm (częstotliwość uderzeń), a nie o ich siłę (rozmach uderzenia, amplitudę).

Wyjaśnienie: Częstotliwość drgań przy tej samej ich amplitudzie może różnie wpływać na budynki – każdy zachowuje się jak struna gitary, która drga z określoną częstotliwością, zależną od jej długości. Jeśli częstotliwość drgań ziemi będzie zbliżona do częstotliwości drgań budynku, dojdzie do rezonansu mechanicznego – amplituda drgań budynku (stopień rozkołysania) wzrośnie, czego jego konstrukcja może nie wytrzymać. Około 2 uderzeń na sekundę rozkołysze najwyższy pasek papieru. Im szybsze uderzenia, tym paradoksalnie będzie się on kołysać mniej, a rozbujają się środkowy lub najniższy pasek.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

6 pojemników na mocz, patyczek do szaszłyków, 4 napoje gazowane w puszkach, blok techniczny, myjki do naczyń, mieszadełka do kawy, taśma klejąca, plastelina, nitka

Niewliczone w cenę: miska, nożyczki, kartonowe pudło po butach, książka w twardej oprawie, gwóźdź, nóż

Czas przygotowania: 3 godz.

Koszt: 65 zł

***

Wiedza w pigułce

Rocznie światem wstrząsa nawet 100 tys. trzęsień ziemi, jednak większości właściwie nie odczuwamy. Tragedie jak te, które w lutym dotknęły Turcję i Syrię, należą do rzadkości, ale zapadają w pamięć z powodu rozmiarów zniszczeń i liczby ofiar śmiertelnych. Źródło problemu leży w głębi planety, której wnętrze wypełniają stopione skały nieustannie kipiące pod cienkim kożuchem zakrzepłych skał, tworzących skorupę ziemską. Ruchy magmy napędzają rozrywanie fragmentów skorupy (na tzw. płyty tektoniczne, a jest ich niemal 100) oraz ich przesuwanie się. Wpychanie się jedna pod drugą, przesuwanie lub ocieranie się tych płyt skutkuje trzęsieniami ziemi. Najwięcej takich zdarzeń obserwujemy na brzegach płyt.

Większa część Europy jest pod tym względem bezpieczna, gdyż leży na wielkiej płycie eurazjatyckiej. Ale obszar Turcji obejmuje niewielka płyta anatolijska, która ma aż pięciu napierających na nią sąsiadów! Nierówne niczym puzzle płyty tektoniczne łatwo się zaklinowują, a różne typy skał stawiają zróżnicowany opór podczas ich przesuwania, co generuje w efekcie naprężenia i odkształcenia. Gdy płyty uwalniają się z zakleszczenia, następuje ich gwałtowne poruszenie, często rozrywanie przypominające kruszenie i przełamywanie krakersa (powstają m.in. uskoki tektoniczne), a powstałe drgania (fale sejsmiczne) niszczą budynki i zmieniają np. bieg rzek. Największe zniszczenia występują blisko epicentrum – obszaru na powierzchni, leżącego bezpośrednio nad podziemnym źródłem drgań (hipocentrum) płyt.

Od starożytności używa się urządzeń pozwalających wykrywać (sejsmoskopy) i szacować siłę trzęsień ziemi (sejsmometry i sejsmografy). Zagrożenie trzęsieniami ziemi wpłynęło także na budownictwo. Tradycyjne chińskie lub japońskie drewniane budynki są czasem wykonane z zazębiających się, ale luźno nasadzonych elementów (nie używa się gwoździ) – silne drgania powodują przesuwanie się elementów nawet o kilkanaście centymetrów w ramach luzu bez wywoływania naprężeń, które rozerwałyby sztywną konstrukcję. Współcześni budowniczowie zdają sobie sprawę, że liczy się także częstotliwość drgań ziemi – podczas trzęsienia zagrożone nie będą po prostu najwyższe budynki, ale te, których częstotliwość chwiania zgra się z częstotliwością drgań ziemi – w wyniku rezonansu mechanicznego trzęsienie rozbuja najmocniej właśnie te obiekty, najbardziej narażając je na uszkodzenie – nawet jeśli to te najniższe w okolicy.