Сейсмограф. Принцип действия

Для того чтобы больше знать о таком природном явлении, как землетрясение, был изобретен прибор, который называется сейсмограф. Сейсмографы подразделяются на два типа. Они подразделяются сообразно положению маятника. Надо сказать, что приборы, используемые для фиксации землетрясения, сконструированы на основании использования принципа маятника. Маятник может быть расположен как вертикально, так и горизонтально. Наиболее совершенные сейсмографы были изобретены академиком Голицыным.

Принцип работы сейсмографа достаточно прост. На подставку маятника воздействуют сейсмические волны, что выводит ее из равновесия, маятник колеблется и острием записывает кривую колебаний на пленке, либо же на бумаге. Если сейсмической активности не наблюдается, маятник находится в покое, и на бумаге чертится прямая линия. Как только происходит активизация сейсмической активности, штатив, на котором укреплен сейсмограф, поднимается вверх, или сдвигается в какую – либо сторону. Это движение дает маятнику возможность прочертить первую ровную линию, которая ведет линию вверх, либо вниз от серединной черты на ленте. После этого, маятник начинает фиксировать любые колебания, и раскачивается. На ленте появляются ломаные линии.

Надо сказать, что обычно, сейсмографы устанавливаются как можно дальше от естественных, раздражающих маятник, факторов. Т.е., например, от дорог, по которым может проезжать тяжелый, груженый транспорт. Чаще всего, для установки сейсмографов, используют подвалы обсерваторий.

Современные сейсмографы сконструированы по тому же принципу. Единственное изменение – это то, что маятнику не нужно непосредственно рисовать кривые на бумаге. К концу маятника приспособлено некое приспособление, которое может отбрасывать свет на укрепленное напротив зеркало. При отражении от зеркала, луч света падает на барабан, который заряжен фотобумагой. Так и фиксируются кривые сейсмоактивности.

Источник

ЭВМ: ЧТО? ГДЕ? КОГДА? | Сейсмограф

Сейсмограф (греческое происхождение и образовано от двух слов: « seismos » — сотрясение, колебание, и « grapho » — писать, записывать) — специальный измерительный прибор, который используется в сейсмологии для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн.

Древние времена

Создатель первого сейсмографа родился в городе Наньян (провинция Хэнань). Ещё в детстве Хэн проявлял любовь к наукам. С годами он вошел в китайскую историю и сделал много полезного для астрономии и математики. В исторических заметках того времени значится, что этот изобретатель был спокойным и уравновешенным и старался не высовываться. Кроме увлечения наукой Чжан Хэна умел писать стихи.

Землетрясение – нарушение баланса между Инь и Ян В древние времена считалось, что землетрясения – очень недобрый знак и гнев небес. В древней китайской философии даже было придумано специальное ученье, которое разбирало по косточкам баланс между двумя силами Инь и Ян. Естественно, эта наука не могла обойтись без объяснения такого феномена, как землетрясение. По мнению китайцев того времени, земля сотрясается не просто так, а из-за глобального нарушения баланса.

Почему иногда случаются подземные толчки, сила которых может привести к катастрофе? Все списывалось на неправильные решения китайских правителей. Увеличились налоги? Небеса накажут Китай землетрясением! Развязана война? Жди беды! Большой процент землетрясений, которые происходили тогда, были скрупулезно описаны. Историки считали важным писать обо всем, что творилось в такой неблагоприятный день.

Принцип работы первого китайского сейсмографа

Схема, по которой работал аппарат была следующей:

Когда начиналось землетрясение, первые толчки земли заставляли детектор трястись.
При этом, шарик, который был помещен внутрь дракона, начинал двигаться.
Затем он падал из пасти мифической рептилии прямо в рот жабы.

Принцип работы китайского сейсмографа
Во время падения шарика раздавался характерный лязгающий звук. Удивительно, но первый сейсмограф указывал даже направление, в котором находился эпицентр землетрясения (для этого на приборе были прикреплены дополнительные драконы). К примеру, если шар выпал из дракона с восточной части прибора, значит, беды нужно ждать на западе.

Первый сейсмограф — не только научный, но и художественный артефакт. Почему в его конструкцию входят именно драконы и жабы? Они являются философским символом времени. Соответственно, драконы – это Инь, а жабы – Ян. Взаимодействие между ними символизируют баланс между «верхом» и «низом». Даже с учетом всех научных открытий, Чжан Хэн не забывал вплести в свое изобретение традиционные верования.

Судьба-злодейка

Судьба многих древних деятелей науки была не самой радужной (некоторых даже на кострах сжигали за убеждения). Действительно, одно дело изобрести то, что прославит тебя на века, а другое – сделать так, чтобы тебя оценили современники. Даже Чжан Хэн не смог избежать скепсиса во время демонстрации сейсмографа императору Шунь Ян Цзя. Придворные отнеслись к изобретению ученого с большим недоверием.

Скепсис немного развеялся в 138 году н.э., когда сейсмограф Чжан Хэна зафиксировал землетрясение в районе Лунси. Но даже после доказательства того, что аппарат в полевых условиях работает успешно, большинство побаивалось Чжан Хэна. Да, древние китайцы не лишены суеверий.

Точная копия устройства

Оригинальный сейсмограф уже давно канул в Лету. Тем не менее, китайские и иностранные ученые, которые исследовали труды Чжан Хэна, смогли реконструировать его изобретение. Последние испытания подтверждают: сейсмограф древнего китайца может обнаружить землетрясение с точностью, которая практически не уступает современному оборудованию.

Китайский сейсмограф в музее
Сегодня воссозданный древний сейсмограф хранится в выставочном зале Музея истории Китая в городе Пекин.

XIX век

В Европе серьёзно изучать землетрясения начали значительно позже.

В 1862 г. вышла в свет книга ирландского инженера Роберта Малета «Великое неаполитанское землетрясение 1857 г.: основные принципы сейсмологических наблюдений». Малет совершил экспедицию в Италию и составил карту пораженной территории, разделив ее на четыре зоны. Введенные Малетом зоны представляют собою первую, достаточно примитивную, шкалу интенсивности сотрясений. Но сейсмология как наука начала развиваться только с повсеместным появлением и внедрением в практику приборов для регистрации колебаний почвы, т. е. с появлением научной сейсмометрии.

В 1855 г. итальянец Луиджи Пальмиери изобрел сейсмограф, способный регистрировать удаленные землетрясения. Действовал он по такому принципу: при землетрясении ртуть проливалась из шарообразного объема в специальный контейнер в зависимости от направления колебаний. Индикатор контакта с контейнером останавливал часы, указывая точное время, и запускал запись колебаний земли на барабан.

В 1875 г. еще один итальянский ученый, Филиппо Секи, сконструировал сейсмограф, который включал часы в момент первого толчка и записывал первое колебание. Первая дошедшая до нас сейсмическая запись сделана именно с помощью этого прибора в 1887 г. После этого начался быстрый прогресс в области создания инструментов для регистрации колебаний почвы. В 1892 г. группа английских ученых, работавших в Японии, создала первый достаточно удобный в обращении прибор сейсмограф Джона Милна. Уже в 1900 г. функционировала мировая сеть из 40 сейсмостанций, оборудованных приборами Милна.

XX век

Первый сейсмограф современной конструкции изобрел русский ученый, князь Б. Голицын, который использовал преобразование механической энергии колебаний в электрический ток.

Б. Голицын
Конструкция довольно проста: грузик подвешивается на вертикально или горизонтально расположенной пружине, а к другому концу груза крепится перо самописца.

Вращающаяся бумажная лента служит для записи колебаний груза. Чем сильнее толчок, тем дальше отклоняется перо и дольше колеблется пружина. Вертикальный груз позволяет регистрировать горизонтально направленные толчки, и наоборот, горизонтальный самописец записывает толчки в вертикальной плоскости. Как правило, горизонтальная запись ведется в двух направлениях: север–юг и запад-восток.

Источник

Что такое сейсмограф, описание и принцип действия

Что такое сейсмограф?

Слово «сейсмограф» имеет греческое происхождение и образовано от двух слов: «seismos» – сотрясение, колебание, и «grapho» – писать, записывать. То есть, сейсмограф – это прибор, предназначенный записывать колебания земной коры.

Первый сейсмограф, упоминание о котором осталось в истории, был создан в Китае почти две тысячи лет назад. Ученый астроном Чжан Хен изготовил для китайского императора огромную двухметровую чашу из бронзы, стенки которой поддерживали восемь драконов. В пасти каждого из драконов лежал тяжелый шар.

Внутри чаши был подвешен маятник, который при подземном толчке ударял о стенку, заставляя пасть одного из драконов раскрыться и выронить шар, падавший прямо в рот одной из больших бронзовых жаб, сидящих вокруг чаши. По описанию, прибор мог регистрировать землетрясения, происходящие на расстоянии до 600 км от места, где был установлен.

Строго говоря, каждый из нас может сам изготовить простейший сейсмограф. Для этого нужно подвесить гирю с заостренным концом точно над ровной поверхностью. Любое колебание грунта заставит гирю колебаться. Если припудрить площадку под грузом порошком мела или мукой, то прочерченные острым концом гирьки полоски укажут силу и направление колебаний.

Правда, такой сейсмограф для жителя большого города, дом которого находится рядом с оживленной улицей, не годится. Проезжающие тяжелые грузовики то и дело будут колебать почву, вызывая микроколебания маятника.

Первый сейсмограф современной конструкции изобрел русский ученый, князь Б. Голицын, который использовал преобразование механической энергии колебаний в электрический ток.

Конструкция довольно проста: грузик подвешивается на вертикально или горизонтально расположенной пружине, а к другому концу груза крепится перо самописца.

Вращающаяся бумажная лента служит для записи колебаний груза. Чем сильнее толчок, тем дальше отклоняется перо и дольше колеблется пружина. Вертикальный груз позволяет регистрировать горизонтально направленные толчки, и наоборот, горизонтальный самописец записывает толчки в вертикальной плоскости. Как правило, горизонтальная запись ведется в двух направлениях: север–юг и запад-восток.

Записи сейсмографов необходимы для изучения закономерностей появления подземных толчков. Этим занимается наука, называемая сейсмологией. Наибольший интерес для сейсмологов представляют районы, расположенные в так называемых сейсмически активных местах – в зонах разломов земной коры. Там нередки извержения вулканов и передвижения огромных пластов подземных пород – т.е. то, что обычно вызывает землетрясения.

Как правило, крупные землетрясения не возникают неожиданно. Им предшествуют серии мелких, почти незаметных толчков особого характера. Научившись предсказывать землетрясения, люди смогут избегать гибели из-за этих катаклизмов и минимизировать наносимый ими материальный ущерб.

Сейсмо́граф

Прибор для записи упругих колебаний земной коры, вызванных землетрясениями или искусственными взрывами

Зачем нужны сейсмографы?

Все записи сейсмографов помогают ученым разобраться в закономерности наступления всех колебаний. На этой почве зародилась наука, названная сейсмологией. Наиболее часто под изучение подходят зоны, где землетрясения — постоянная ситуация, например, в горной местности или местах разломов. Там также происходят извержения вулканов наряду с осыпями, оползнями.

Как уже многие исследователи в этой сфере успели понять за счет практики, сильное землетрясение произвольным образом не возникает. То есть перед его наступлением необходимы более слабые толчки, вследствие которых и предсказывают наступление серьезной катастрофы. Такие выводы помогают людям приготовиться к возможным потерям, покинуть дом, взяв необходимые вещи.

Принцип работы

Принцип работы сейсмографа основан на передаче колебаний предметам, установленным на участке земной коры. При нахождении одной плиты земной коры на другую накапливается огромное количество энергии, при ее высвобождении происходит сотрясение.

Что такое сейсмограф? Современные приборы состоят из маятника, подвешенного на нити и закрепленного к стойке, прочно стоящей на грунте. На конце маятника имеется перо, которое при колебании будет вычерчивать амплитуду значения деформации. Барабан с бумагой, на которой будет отображаться процесс землетрясения, устанавливается также на грунте жестко. Когда происходит землетрясение, маятник за счет инерции остается на месте, а барабан с бумагой совершает колебательные движения, вычерчивая значение энергии, высвобождаемой при явлении землетрясения. Современные приборы способны контролировать даже незначительные изменения, не несущие разрушения.

Что такое сейсмограф у животных? Их организм устроен так, что малейшие изменения в атмосфере и состоянии земной поверхности в радиусе нескольких километров вызывают у них тревогу. Срабатывает закон самосохранения, и они покидают опасные территории. Самыми чувствительными к явлению землетрясения считаются относящиеся к видам амфибий и рептилий, то есть змеи, лягушки, ящерицы.

Современные сейсмографы способны определять и измерять амплитуду колебаний в трех плоскостях. Измеряя виброскорость, сейсмографы имеют диапазон частот измерения от 0,3 до 500 Гц, при диапазоне измерения скорости колебания — от 0,0002 до 20 мм/с. Сейсмографы бывают как переносные, так и стационарные. Последние выполняют больших размеров и устанавливают конкретно один раз и на весь срок службы. Переносные возможно переустанавливать в определенное место в зависимости от местности. Все современные модели снабжены программными интерфейсами и передают напрямую все свои измерения в базу данных на компьютер.

Что такое сейсмограф и куда его установить? Его размещают на потенциально опасных участках, где возможны проявления колебаний земной коры. Переносные сейсмографы устанавливают на участках горных или подземных разработок, чтобы избежать человеческих жертв, предупредив землетрясения и эвакуировав рабочий персонал. При установке следует учитывать, что прибор может давать серьезные погрешности, если устанавливать его вблизи дорог, где возможен проезд тяжелой техники.

Чжан Хэн и первый в мире сейсмограф

«Бэнг!» — покой императорского дворца нарушает звук металлического шара, который выпадает из головы дракона и со звоном падает в рот одной из восьми жаб, равномерно распределённых по кругу по всем сторонам света. Через несколько дней ко дворцу в провинции Хэнань прискачет обессиленный гонец, чтобы доложить императору о землетрясении, которое недавно произошло в одном из регионов его необъятной страны. Но владыка уже несколько дней как в курсе случившегося — о землетрясении он узнал сразу же после падения металлического шара. Что это — один из эпизодов фэнтези-фильма? Нет — это Древний Китай, империя Хань, 132 год нашей эры.

С глубокой древности Китай был сейсмоопасным регионом. В исторических хрониках содержится немало сведений о землетрясениях, разрушавших целые города ещё до нашей эры. Для большой территории Империи Хань каждое подобное землетрясение несло огромную опасность — внешние враги не брезговали воспользоваться чужой бедой, устраивая налеты на поврежденные города и грабя дезориентированных жителей.

Чтобы пресекать подобные случаи и вовремя помогать собственному населению, необходимо было сразу же узнавать о произошедшей трагедии и немедленно выдвигаться к месту событий. Где же ещё, как не в Китае, должен был появиться первый сейсмограф? Его создателем стал выдающийся древнекитайский учёный Чжан Хэн.

Китайский изобретатель Джан Хэн

Чжан Хэн родился в семье обедневшего китайского чиновника в 78 году н.э. С детства проявляя трудолюбие и тягу к знаниям, Чжан Хэн всегда выделялся среди своих сверстников. Молодой человек быстро продвигался по карьерной лестнице, поэтому неудивительно, что уже в 37 лет он занял одну из самых уважаемых должностей в империи Хань — пост придворного историографа-астролога. За свою жизнь Чжан Хэн придумал множество интересных изобретений, усовершенствовал географические карты Китая, внес большой вклад в развитие математики. Кроме того, он стал первым, кто утверждал, что свет Луны — это отраженный солнечный свет. Но самым известным его творением является сейсмограф, который он представил императору в 132 году н.э после того, как очередное землетрясение нанесло большой ущерб столице. Если верить древнекитайским авторам, удивительный сейсмограф позволял регистрировать землетрясения, происходящие за сотни километров от места нахождения прибора.

Сейсмограф Чжан Хэна мало чем напоминает современные приборы для измерения подземной активности. Он представляет собой огромный медный сосуд, внутри которого располагался прикреплённый к вершине маятник. К маятнику были подведены 8 рычагов, распределённых равномерно по окружности. Под воздействием малейших подземных толчков от бушующего вдалеке землетрясения маятник отклонялся в сторону, активируя один из рычагов, который, в свою очередь, крепился другим концом к выходящей наружу голове дракона с находящимся внутри металлическим шаром. Система пружин сбрасывала шар вниз в фигуры жаб с широко открытым ртом. Упавший шар создавал гулкий звон, который был слышен по всему дворцу.

Современный экземпляр первого в мире сейсмографа

Сейсмограф пришёлся по нраву императору и с тех пор всегда находился в рабочем состоянии, готовый предупредить о случившейся беде. Данный сейсмограф стал первым в истории, увековечив имя своего создателя. Судьба же самого Чжан Хэна круто изменилась через 4 года после изобретения прибора: в результате дворцовых интриг учёный был изгнан из столицы и назначен управляющим отдаленной провинцией империи, где он работал до конца своей жизни.

Современный экземпляр первого в мире сейсмографа

Но остаётся самый главный вопрос — действительно ли сейсмограф Чжан Хэна регистрировал землетрясение, или описания его работы чересчур приукрашены? Интересно, что во всех сохранившихся описаниях большое внимание уделяется именно внешнему виду сейсмографа, а не принципу его работы. Прибор безусловно красив, а его дизайн поистине оригинален, но современным исследователям хотелось бы больше узнать о его внутренней начинке. Нет сомнений, что главной деталью внутреннего механизма являлся подвешенный маятник с невероятной точностью умевший реагировать на подземные толчки, происходившие на больших расстояниях. Как именно был он закреплён в сосуде и что позволяло ему замечать подземные толчки, которые не мог ощутить человек? К сожалению, это так и остаётся главной загадкой.

Конечно, энтузиасты много раз предпринимали попытки создать похожий прибор. Все сейсмографы Чжан Хэна, которые мы сегодня наблюдаем в музеях — это работы современных мастеров. При изготовлении внутренностей данных сейсмографов примерялись передовые материалы, а сам маятник изготавливался с ювелирной точностью, которая, при всём уважении к древнекитайским умельцам, не могла быть достигнута две тысячи лет назад. Расположенные во многих частях света, эти приборы ни разу не смогли зарегистрировать ни одного землетрясения. Хотя некоторые из природных бедствий были довольно сильными и даже привели к многочисленным жертвам.

Но, быть может, мы просто недооцениваем гений изобретателя, который почти два тысячелетия назад смог с помощью простейших технологий создать удивительно точный работающий сейсмограф?

Принцип работы первого китайского сейсмографа

Схема, по которой работал аппарат была следующей:

Принцип работы китайского сейсмографа.Во время падения шарика раздавался характерный лязгающий звук. Удивительно, но первый сейсмограф указывал даже направление, в котором находился эпицентр землетрясения (для этого на приборе были прикреплены дополнительные драконы). К примеру, если шар выпал из дракона с восточной части прибора, значит, беды нужно ждать на западе.

Первый сейсмограф — не только научный, но и художественный артефакт. Почему в его конструкцию входят именно драконы и жабы? Они являются философским символом времени. Соответственно, драконы – это Инь, а жабы – Ян. Взаимодействие между ними символизируют баланс между «верхом» и «низом». Даже с учетом всех научных открытий, Чжан Хэн не забывал вплести в свое изобретение традиционные верования.

В древние времена считалось, что землетрясения – очень недобрый знак и гнев небес. В древней китайской философии даже было придумано специальное ученье, которое разбирало по косточкам баланс между двумя силами Инь и Ян. Естественно, эта наука не могла обойтись без объяснения такого феномена, как землетрясение. По мнению китайцев того времени, земля сотрясается не просто так, а из-за глобального нарушения баланса.

Почему иногда случаются подземные толчки, сила которых может привести к катастрофе? Все списывалось на неправильные решения китайских правителей. Увеличились налоги? Небеса накажут Китай землетрясением! Развязана война? Жди беды! Большой процент землетрясений, которые происходили тогда, были скрупулезно описаны. Историки считали важным писать обо всем, что творилось в такой неблагоприятный день.

Источник

Что такое сейсмограф?

Сейсмограф состоит из маятника, например, стальной гирьки, которая на пружине или тонкой проволоке подвешена к стойке, прочно закреплённой в грунте. Маятник соединён с пером, чертящим непрерывную линию на бумажной ленте. При быстрых колебаниях почвы бумага сотрясается вместе с ней, маятник же с пером по инерции остаются неподвижными. На бумаге появляется волнистая линия, отражающая колебания почвы. Кривая на бумажной ленте, укрепленной на медленно вращающемся барабане под наносящим линию пером, называется сейсмограммой.

Три красных барабана высотой около 20 см являются приемниками сейсмографов на современной сейсмической станции. Стоящий барабан принимает вертикальные колебания почвы, на одном из лежащих барабанов отмечаются колебания в направлении север-юг, на другом восток-запад. Стоящий рядом прибор регистрирует самые медленные подземные сдвиги, которые не поддаются трем остальным приемникам. Показания всех четырех приборов передаются для записи сейсмограммы сложным электронным устройствам.

В 1891 г. одно из самых сильных землетрясений, когда-либо наблюдавшихся в Японии, опустошило обширные области к западу от Токио. Очевидец так описывал разрушения: «На поверхности образовались глубокие провалы; дамбы, защищавшие низины от наводнений, обрушились, почти все дома были уничтожены, горные склоны сползли в бездны. 10000 человек погибли, 20000 получили травмы».

Источник