Postavte si model detektoru otřesů – předchůdce dnešních seismografů

K největšímu historicky zaznamenanému zemětřesení došlo v roce 1556 ve středočínské provincii Šen-si, při kterém zahynulo přibližně 830 000 lidí. Není se tedy co divit, že první „detektor zemětřesení“ vznikl v Číně – zkonstruoval jej dvorní astronom Čang Cheng už v roce 132 n. l. V obří bronzové nádobě bylo volně zavěšené těžké kyvadlo, soustavou pák propojené s kuriózním mechanismem detektoru. Po vnějším obvodu nádoby bylo pravidelně rozmístěno osm sošek draka, v tlamě každého z nich byla miska s měděnou kuličkou. Pod každou miskou stála soška žáby s otevřenou tlamičkou. Jestliže došlo k zemětřesení, nádoba detektoru se pohnula spolu se zemí, ale těžké závaží v kyvadle zůstalo díky setrvačnosti „v klidu“. Tato změna vzájemné polohy nádoby a kyvadla způsobila, že pákový mechanismus otevřel tlamu toho draka, který byl na obvodu nádoby ve směru otřesů. Kulička z otevřené dračí tlamy spadla do tlamičky žáby pod ní. Cinknutí kuličky zvukem upozornilo na vznik zemětřesení a současně udávalo směr k jeho centru. (Psali jsme o něm zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/fyzika-a-klasicka-energetika/2139-prvni-seismograf-na-svete#&gid=1&pid=1)

K výraznému rozvoji konstrukce přístrojů pro registraci, měření síly a záznam průběhu zemětřesení – seismografů – došlo až v 19. století. Místo kyvadlových seismografů se začaly používat přístroje založené na jiných principech, např. elektrodynamických, piezoelektrických, kapacitních apod.

Zemětřesení

Začátkem února letošního roku zasáhly pohraniční oblasti Turecka a Sýrie dva ničivé otřesy o síle 7,7 a 7,6 stupňů Richterovy stupnice, následované sérií slabších otřesů. Toto velké zemětřesení si vyžádalo přes 50 000 obětí a způsobilo v obou zemích obrovské materiální škody. Pokud jde o počet obětí, zařadilo se únorové zemětřesení mezi deset nejhorších katastrof za posledních 120 let! Jistě pamatujete na dvě zemětřesení s nejtragičtějšími následky, ke kterým došlo v tomto století:

• v prosinci 2004 vyvolalo podmořské zemětřesení v oblasti Sumatry obří cunami, které zasáhlo pobřežní v oblasti Indického oceánu a zanechalo po sobě přes 280 000 obětí
• v roce 2010 postihlo katastrofální zemětřesení jednu z nejchudší zemí světa, karibský ostrovní státeček Haiti. Počet obětí se odhaduje mezi 150 – 300 tisíci.

(Podrobnosti o seismologii a Richterově stupnici pro hodnocení síly zemětřesení si jistě v případě hlubšího zájmu snadno „vygůglíte“. V Třípólu jsme podrobněji psali o zemětřesení např. zde https://www.3pol.cz/cz/rubriky/fyzika-a-klasicka-energetika/756-kdyz-se-trese-zem.

Obr.: Při otřesu se nádoba pohnula vlevo a těžké závaží ve spodní části kyvadla zůstává v původní poloze. Pákový mechanismus otevře příslušnou dračí „tlamu“. (Zdroj  Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication)

Necháme se inspirovat prastarým Čangovým vynálezem

Přestože od konstrukce prvního detektoru zemětřesení už uplynula skoro dvě tisíciletí, jeho princip využívají konstruktéři i dnes. Nabízíme návod na zhotovení jednoduché učební pomůcky - modelu elektromechanického detektoru otřesů, který se skládá z kyvadla a elektrického signalizačního obvodu. Jeho konkrétní provedení závisí na vašich materiálových možnostech i na konstruktérské dovednosti.

Úkolem našeho detektoru je upozornit světelným a zvukovým signálem na náhlé změny polohy celého přístroje. Základním prvkem je kyvadlo s kovovým závěsem, zakončené těžkým závažím (tj. s velkou setrvačností). Na spodním konci závěs prochází kovovým kroužkem, kterého se v klidové poloze nedotýká. Signalizační funkci přístroje zajišťuje elektrický obvod, tvořený zdrojem, spínačem, kovovým závěsem, kroužkem na jeho konci, piezoelektrickým „pískátkem“ a svítivou diodou LED.

V klidovém stavu se závěs nedotýká kovového kroužku, elektrický obvod je zde přerušený. Jestliže přístrojem prudce pohneme, závěs kyvadla zůstane ve svislé poloze (projeví se setrvačnost závaží). Kroužek se však posune ve směru pohybu a dotkne se závěsu. Obvod se tím spojí, „pískátko“ krátce zapíská a svítivá dioda blikne. U Čangova detektoru tuto signalizační funkci zastávaly kuličky, padající do žabích tlamiček.

Hlavní součásti

• Základ přístroje tvoří destička se svislým stojanem a na něm přišroubovanou vodorovnou „šibeničkou“.
• Na konci „šibeničky“ je přišroubované závitové očko pro zavěšení kyvadla.
• Závěs kyvadla je zhotovený z důkladně odizolovaného měděného drátu o průměru 1 mm.
• Na horním konci závěsu je malé očko pro zavěšení, na opačném konci jsou navlečené a tavným lepidlem upevněné dvě matice M10 (jako závaží).
• V dolní části stojanu je přišroubované kovové očko o vnitřním průměru 15 – 20 mm.
• Napájecí zdroj tvoří dva tužkové články v pouzdru.
• Piezoelektrický aktivní bzučák – „pískátko“.
• Svítivá dioda LED, ochranný rezistor 150 ohmů.
• Spojovací vodiče.

Obr.: Celkový pohled na model detektoru a jeho jednotlivé stavební prvky foto autor) 

 Postup stavby

Nejprve na základní destičku přilepíme a přišroubujeme sloupek (výška cca 20 cm) a k němu upevníme dřevěnou, plastovou nebo plechovou „šibeničku“.

Na konci „šibeničky“ přišroubujeme kovové očko se závitem, sloužící k zavěšení drátěného závěsu kyvadla a jako kontakt.

Přesně pod horní očko přišroubujeme do stojanu ve výšce asi 40 mm nad základnou kovový kroužek (velké očko).

Na konci odizolovaného měděného drátu uděláme malé očko pro navléknutí do očka na „šibeničce“. Drát – závěs - pak odstřihneme na potřebnou délku.

Závěs shora zasuneme do spodního kroužku a zavěsíme do očka na „šibeničce“. Drát musí procházet středem kroužku, jinak jeho polohu šroubováním upravíme.

Připravíme si matice M10 a tavnou pistoli. Matice zespodu navlékneme na závěs a podložíme je, aby byly asi 5 mm nad základnou. Prostor uvnitř matic zalijeme tavným lepidlem a necháme zatuhnout. Přitom stále kontrolujeme správnou polohu drátu uprostřed kroužku.

Tím je mechanická část detektoru hotová a zbývá zapojit elektrický obvod. Místo dlouhých řečí nabízíme schéma zapojení a doporučujeme důkladnou prohlídku fotografií.

Obr.: Vodorovná „šibenička“ se závěsným očkem a spínačem.

Obr.: Očko na horním konci závěsu kyvadla.

Obr.: Závaží z matic na dolním konci závěsu, spodní očko s připájeným vodičem.

Obr.: Elektronika – zvuková signalizace (černý váleček nahoře) a světelná signalizace (svítivá dioda LED dole).

Obr.: Schéma zapojení elektrického signalizačního obvodu.

Detektory vibrací, chvění či otřesů v technické praxi

Vibrace jsou často jevem nežádoucím, jako například u různých strojů, kde způsobují větší namáhání součástí a tím zkracují jejich životnost. Největší problémy způsobují vibrace u rotujících součástí strojů (ložiska apod.).

K převodu mechanických vibrací na elektrický signál slouží snímače. Využívají různých fyzikálních zákonitostí, např.

• piezoelektrický (změna působící síly vyvolá změnu elektrického napětí)
• piezorezistivní (změna působící síly vyvolá změnu elektrického odporu)
• indukční (pohybem magnetu se na cívce indukuje napětí)
• kapacitní (pohybem tělesa se mění kapacita v elektrickém obvodu)

Převod změny polohy tělesa na digitální elektrický signál má řadu výhod. Umožňuje počítačové zpracování, záznam, vyhodnocení a zobrazení naměřených dat, poskytuje možnost průběžného dálkového přenosu výsledků měření.