Sismógrafo

Sismógrafoé um aparelho que detecta os movimentos do solo, incluindo os gerados pelasondas sísmicas.Consiste no sensor básico dos instrumentos sismográficos de que o sismógrafo e osismoscópiofazem parte. Estes movimentos são depois registados nos sismógrafos, que geram traçados gráficos denominados desismogramas.A partir dos sismogramas os sismólogos conseguem obter informações, como a localização do hipocentro e a magnitude do sismo. O sismógrafo, principalmente usado na área dasismologia,detecta e mede asondas sísmicasnaturais ou induzidas e permite determinar, principalmente se organizado em rede, a posição exata do foco (hipocentro) dessas ondas e do ponto da sua chegada na superfície terrestre (epicentro). Para quantificar a energia dessesterremotosé utilizada aescala de Richter.

O gráfico obtido num sismógrafo - sismograma - indica as características das diferentes propagações das ondas sísmicas. Um sismograma, em período de calma sísmica, apresenta o aspecto de uma linha reta com apenas algumas oscilações. Quando ocorre um sismo, os registros tornam-se mais complexos e com oscilações bastante acentuadas, mostrando a amplitude das diferentes ondas sísmicas.

Principio de funcionamento

Devido aos equipamentos que medem oscilações terrestres estarem necessariamente localizados sobre a superfície daTerra,movimentando-se com ela, a maioria dos sensores sísmicos são baseados nainérciade uma massa suspensa por umamola,sendo que a massa tenderá a se manter parada quando ocorrer um deslocamento.^[1]Porém, oprincipio da inérciadefine que só se pode observar que um corpo está em movimento se ele possuir umaaceleraçãonão nula. Como o interesse sismológico geralmente é medir o deslocamento dacrosta terrestre,é medida a aceleração ou a velocidade da superfície e então integrada uma vez (no caso da velocidade) ou duas vezes (no caso da aceleração).

Estesistema massa-molapossui frequência de ressonância $f_{0}$ :

f_{0}={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {k}{m}}}

Onde $k$ é a constante elástica da mola e $m$ é a massa. Se afrequênciade deslocamento do solo for próximo a frequência deressonância,o movimento relativo da massa será maior, e para frequências menores que a de ressonância o movimento relativo diminui. Por isso, os sismógrafos possuem tipos diferentes para diferentes faixas de frequência, devido a dificuldade de se registrar deslocamentos com frequência menor que a de ressonância.^[1]

Sismógrafo analógico, com indicação dos principais elementos constituintes.

Antigamente, nos sistemas analógicos, ossismólogosgeralmente utilizavam sismógrafos para movimentos pequenos, que mediam a velocidade ou deslocamento da superfície para interpretação dasfases sísmicas,enquanto osengenheirospreferiam sismógrafos para deslocamentos grandes e que medissem a aceleração da superfície, devido a direta relação da aceleração comcargasísmica na estrutura. Atualmente esta distinção praticamente não existe mais, pois com os instrumentos digitais a conversão entre aceleração, velocidade e deslocamento é fácil, e os instrumentos de medida de movimentos pequenos possuem sensibilidade para movimentos grandes, e vice e versa.^[1]

A geração dosismogramapode ser feita de forma analógica ou digital. A forma analógica era mais utilizada antigamente, e consistia de uma caneta ou outro objeto ligado a massa, marcando o movimento em um rolo de papel oufilme fotográfico,e atualmente é mais utilizada para demonstrações. A forma digital é a mais utilizada atualmente e se baseia navoltagemregistrada pelo sismômetro, que se altera com o movimento da massa, sendo processada porcomputadore gerando o sismograma.^[1]

Sismômetro

O sensor que realiza a medida relativa a inércia da massa para indicar o deslocamento do solo é chamado de sismômetro, sendo a parte mais cara de um sismógrafo. Atualmente os sismômetros inerciais são baseados principalmente em dois tipos:^[1]

Transdutor de velocidade

Sismógrafos utilizando este método se baseiam em umenrolamentoque se move em umcampo magnético.A saída do enrolamento é proporcional a velocidade relativa da massa. Este arranjo pode ser feito com tanto com o enrolamento fixo e oímãse movendo com a massa, quanto com um ímã fixo e o enrolamento se movendo com a massa. É comum colocar umresistorno ligado ao enrolamento para amortecer o sismômetro, pois quando é induzida corrente no enrolamento, o movimento da massa sofrerá a resistência daforça magnéticainduzida.^[1]A diferença de potencial entre as pontas do enrolamento é medida através de uma eletrônica, sendo através da sua variação gerado o sismograma.

Acelerômetro

Sismógrafos atuais que utilizamacelerômetrocomo sensor são chamados de FBA, do inglêsForce Balanced Accelerometer(Acelerômetro Balanceado por Força, em tradução literal), utilizando o principio do balanço de forças.^[1]Este sensor utiliza um transdutor de deslocamento, que é umcapacitorde placas paralelas fixas com uma placa móvel entre elas.^[2]Esta placa se desloca com a massa, e para posições fora doequilíbrioo transdutor gera uma corrente através do enrolamento através de um resistor R em um ciclo de realimentação negativa de modo que a polaridade da corrente gere uma força que seja igual e oposta a inércia da massa, tentando impedir o movimento relativo da massa. Esta corrente é linearmente proporcional a aceleração do solo, por isso a aceleração do solo é então medida pela voltagem sobre o resistor.^[1]

Sismômetros não inerciais

Além dos sismômetros inerciais, existem os de extensão, chamadosextensômetros,que são utilizados para medir a distancia entre dois pontos, e osinclinômetros,utilizados na monitoração de deformação da superfície terrestre.^[3]

Parâmetros principais

Os seguintes parâmetros são essências para se diferenciar entre sismógrafos, e por isso devem ser analisados de forma de se escolher o equipamento mais apropriado para a tarefa que se deseja realizar.^[1]

Faixa de frequência

Não existe atualmente nenhum instrumento que cubram toda a faixa de frequências possíveis de ocorrer, que vai de cerca de 0,00001 Hz podendo alcançar frequências de até 1 000 Hz, por isso os instrumentos são geralmente são referidos pela sua faixa de frequência. Embora existam equipamentos com faixas de frequência relativamente grandes, chamados de instrumentosBroad Band(banda larga) ouVery Broad Band,os custos geralmente crescem com o aumento da faixa de frequência do equipamento.

Resposta em frequência

Os sensores possuem uma faixa de frequência onde a resposta é quase instantânea, isto significa que embora um sensor possua uma faixa de frequência grande de atuação, ele pode ser otimizado apenas para um pequeno intervalo.

Sensibilidade

É a expressão do menor sinal que pode ser resolvido pelo instrumento, sendo atualmente limitada pelo ruído gerado pelas partes eletrônicas do sensor e do gravador.

Faixa dinâmica

Faixa dinâmica é a proporção entre o maior e o menor sinal que um sensor pode identificar, e é dada em unidades dedecibéis.

Linearidade

Idealmente se deseja um sensor que a entrada se comportelinearmentecom a saída. Um sensor considerado bom possui linearidade melhor que 1%.

Ganho e saída

O ganho é dado em V/ms^-1para sensores de velocidade e em V/g para acelerômetros, sendo quanto maior melhor, porem é atualmente facilmente compensado pela sensibilidade do gravador. É importante que o nível máximo de saída do sensor seja menor que o nível máximo de entrada do gravador.

História

Replica doHoufeng didong yi,sismográfo de Zhang Heng, presente no Chabot Space & Science Center emOakland,California

O primeiro sismógrafo conhecido é o sismoscópio, inventado na China porZhang Hengem132,sendo chamado em chinês deHoufeng Didong Yi.Este aparelho consistia em oito esferas debronze,cada uma sustentada pela boca estátuas dedragões.Quando ocorria um tremor de terra, por menor que fosse, a boca do dragão abria e a bola caía na boca aberta de um dos oitosaposde metal que se encontravam em baixo. O aparelho permitia determinar, desse modo, a direção de propagação do sismo. Embora existam documentos explicando parcialmente este sismoscópio, nunca foi encontrado o original, e o mecanismo que ligava o pendulo interno fazendo a boca do dragão se abrir quando houvesse um tremor ainda é alvo de debates.^[4]

Ver também

Zhang Heng

Referências

↑^a^b^c^d^e^f^g^hⁱHavskov, Jens; Alguacil, Gerardo (2004). «1 e 2».Instrumentation in Earthquake Seismology.Col: Modern Approaches in Geophysics (em inglês). Dordrecht: Springer Netherlands.ISBN 978-1-4020-2969-1.ISSN 0924-6096
↑«Technical data: ±1.5g, ±6g Three Axis Low-g Micromachined Accelerometer»(PDF)(em inglês)Parâmetro desconhecido|data de acesso=ignorado (ajuda)
↑«Sismómetro».Infopédia.Consultado em 7 de abril de 2014
↑Sleeswyk AW, Sivin N (1983). «Dragons and toads: the Chinese seismoscope of BC. 132».Chinese Science.6:1–19

Ligações externas

Sismógrafo de Lehman,por Luis Ricardo Sarti (projeto de construção de um sismógrafo de Lehman a partir de componentes de baixo custo).

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[Havskov-1] ⁱHavskov, Jens; Alguacil, Gerardo (2004). «1 e 2».Instrumentation in Earthquake Seismology.Col: Modern Approaches in Geophysics (em inglês). Dordrecht: Springer Netherlands.ISBN 978-1-4020-2969-1.ISSN 0924-6096

[2] «Technical data: ±1.5g, ±6g Three Axis Low-g Micromachined Accelerometer»(PDF)(em inglês)Parâmetro desconhecido|data de acesso=ignorado (ajuda)

[3] «Sismómetro».Infopédia.Consultado em 7 de abril de 2014

[4] Sleeswyk AW, Sivin N (1983). «Dragons and toads: the Chinese seismoscope of BC. 132».Chinese Science.6:1–19

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