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O
Sismógrafo
Marcelo
Moura
mmmoura.bh@terra.com.br
Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br
Introdução
Um terremoto ocorre quando rochas
da litosfera submetidas a altas tensões se acomodam. Ondas de choque,
chamadas ondas sísmicas partem em todas as
direções de um ponto chamado foco ou hipocentro.
O ponto situado na superfície exatamente acima do foco é chamado de epicentro
do terremoto. A partir deste ponto, as ondas de choque fazem com que o
solo se mova em movimentos cíclicos que geram "ondas" forçando
o solo para cima e para baixo, as ondas primárias ou verticais, e de um
lado para o outro, as ondas horizontais ou ondas de cisalhantes. Quando o
epicentro está abaixo de um mar ou oceano, ele pode criar um maremoto ou
um tsunami, uma onda gigante.
O
sismógrafo
Para detetar, medir e determinar o
foco de um terremoto, são utilizados os sismógrafos.
Os chineses usam sismógrafos há quase 2000 anos. O mais antigo deles,
consistia em oito dragões de bronze dispostos em círculo, com esferas
metálicas equilibradas na boca. Abaixo de cada dragão existia um sapo,
também de bronze, com a boca aberta. Quando ocorria um terremoto, a
esfera caia da boca do dragão para a boca do sapo, gerando um som
metálico, que alertava as pessoas. Este modelo, além de tocar o alarme,
registrava a ocorrência do terremoto (caso ninguém escutasse a
campainha), e ainda indicava a direção do epicentro. Hoje os
sismógrafos contam com dispositivos eletromecânicos e eletrônicos para
registrarem simultaneamente todos os movimentos.
O modelo mais conhecido entretanto, é o sismógrafo mecânico inventado
por John Milne, em torno de 1880, chamado sismógrafo
de pêndulo invertido, ou sismógrafo de Milne. Para registrar as
ondas verticais é utilizado um pêndulo equilibrado por mola e para as
ondas horizontais são utilizados mais dois, centrados pela gravidade,
instalados a 90º um do outro.
Montagem
(a)
Para construir um sismógrafo de Milne utilize uma base de
madeira de (2 x 15 x 30) cm.
(b) Fixe numa das
extremidades dessa base um sarrafo de (3 x 3 x 12) cm com cola e
pregos,
(c) e sobre esse sarrafo, a
90o, um outro sarrafo de (2 x 3 x 7) cm.
(d) Utilize uma vareta de
madeira leve de (0,5 x 1,5 x 25) cm para fazer o pêndulo.
(e) Faça um furo de 3 mm de
diâmetro, afastado de 1 cm de cada ponta dessa vareta, e mais um a 5 cm
para prender a mola.
(f) Encaixe nos furos das
pontas dois pedacinhos de tubo plástico (aquele que fica dentro das
canetas esferográficas). Em um desses tubinhos encaixe uma ponta porosa
de caneta hidrocor (hidrográfica), conforme se ilustra no detalhe da
figura acima.
(g) Fixe o outro lado da
vareta-pêndulo, com um prego por dentro do tubinho, na coluna lateral, a
4 cm da base. A vareta deve se mover facilmente.
(h) Faça uma mola com um
arame de aço e prenda no braço, como se ilustra. A técnica para fazer
molas pode ser vista na Sala
02 do Imperdível (clique no destaque).
(i) Consiga
um pedaço de chumbo, dobre em U e coloque-o 'montado' sobre a
vareta-pêndulo. Ajuste a mola ou desloque o chumbo ao longo da vareta
até nivelar o pêndulo.
(j) Arranje uma latinha de
ervilhas, vazia, para fazer o registrador. Cuidado!
Martele as rebarbas da tampa para não cortar os dedos.
Aparafuse a latinha pelo centro se seu fundo de modo que ela encoste na
ponta do 'traçador' (ponta macia entintada) e não aperte muito o
parafuso para que a lata possa girar.
(k) Cole um pedaço de papel
em volta da latinha com fita adesiva e coloque uma gota de tinta na ponta
porosa se essa estiver seca.
Agora
é só esperar que um caminhão passe na rua. Quando o pêndulo oscilar,
vá girando a lata devagarzinho para criar o registro.
Nota:
Se você for bastante cuidadoso e habilidoso poderá dar um 'jeitinho' da
lata ficar girando o tempo todo dando uma volta a cada 12 horas, ou a cada
1 hora ou a cada minuto. Já vislumbrou a técnica?
Basta comprar um desses relógio com uma pilha nas lojas de R$ 1,99;
retirar o plástico que recobre o mostrador e retirar cuidadosamente os
ponteiros. A seguir, instale esse relógio na horizontal e adapte o centro
da lata no lugar do ponteiro que interessar; das horas, dos minutos ou dos
segundos. Se você usar o eixo do ponteiro dos segundos a latinha irá
girar dando 'pulinhos' a cada segundo, realizando uma volta completa a
cada minuto.
Os
sismógrafos deste tipo são fixados em bases rígidas ou em rochas, para
aumentar a sensibilidade. O tambor do registrador é movimentado por um
motor que além do tremor registra também os pulsos de um relógio para
determinar a hora que o fenômeno ocorreu e sua duração. Nós não temos
terremotos no Brasil, mas freqüentemente ocorrem abalos sísmicos na
cordilheira dos Andes que são registrados aqui.
Um
pouco de teoria
Os sismógrafos
profissionais procedem sem interrupção ao registro dos movimentos do
solo. O princípio fundamental do seu funcionamento é simples: uma
considerável massa é colocada de tal modo que consegue permanecer inerte
quase que de modo absoluto frente à ação do movimento do solo. Acoplado
à massa há um sistema de alavancas muito leves, que, por intermédio de
uma ponta entintada ou outro dispositivo adequado, efetua o registro. O sismograma
(sucessão dos registros em um papel) é portanto uma representação
amplificada do movimento relativo entre a massa e o solo.
Qualquer
sismógrafo é semelhante a um pêndulo, que se pode pôr em oscilação
mediante um impulso. Uma tal oscilação designa-se por oscilação
livre e o respectivo período (To) é o período
próprio do pêndulo. Se o período do movimento do solo (T) é
sensivelmente menor do que o período próprio do sismógrafo (T<<To),
a massa deste (M) ficará em repouso e o movimento relativo solo/massa é
registrado com o auxílio das alavancas amplificadoras. Se o período do
movimento do solo é muito maior do que o período próprio do sismógrafo
(T>>To), a massa acaba por acompanhar o solo no seu
movimento, não há movimento relativo, nem por conseguinte
registro.
Entre
estas duas hipóteses situa-se o caso da ressonância:a massa oscila
livremente e com amplitude crescente, à medida que chegam novas ondas do
mesmo período (T = To). O máximo de ressonância, frente ao
amortecimento do sismógrafo, pode ser mais ou menos reduzido, até
completa supressão. Por outro lado, o amortecimento impede a
manifestação de um defeito do sismógrafo, que seria o falso registro de
ondas após a chegada de um único impulso, pelo fato do sismógrafo
entrar em oscilação livre.
Quando
o amortecimento é forte (c), na ilustração acima, obtém-se registros
aceitáveis das oscilações do solo cujo período seja inferior ao dobro
do período próprio do sismógrafo. De sismos afastados chegam-nos
períodos de 20 s e mais, pelo que os períodos próprios devem ser pelo
menos da ordem dos 10 s.
Ora, um pêndulo simples com este período tem o comprimento de 25 m; mas
é possível com determinados dispositivos mecânicos atingir o período
desejado sem exagerar as dimensões dos aparelhos. Podem obter-se
amplificações de centenas ou milhares de vezes com o sistema de
alavancas, que devem ser leves e o mais possível livres de atrito nas
articulações. Apesar disso, para vencer o atrito da ponta de registro
sobre o sismograma, tornam-se necessárias grandes massas (1 a 20
toneladas).
O
registro óptico (fotográfico) é completamente livre de atrito, permite
reduzir a massa a 1 kg ou ainda menos e, paralelamente, realiza
amplificações da ordem de centenas de milhares ou mesmo milhões de
vezes. A transformação das oscilações mecânicas em correntes
elétricas pulsantes, por via eletromagnética, é bastante prática. Tais
sismógrafos podem dispor igualmente do registro óptico, quando acoplados
a galvanômetros de espelho.
Cada
sismógrafo deve possuir um dispositivo de marcação de tempos, que, na
maior parte das vezes, consiste em pequenas interrupções do registro (1
a 2 segundos) no inicio de cada minuto e comandadas por um bom relógio de
quartzo, cujo estado deve ser determinado diariamente por sinais-rádio
oriundos de algum observatório astronômico. O tempo utilizado é sempre
o tempo médio de Greenwich (TMG).
Deve-se
a E. Wiechert a concepção e montagem do primeiro sismógrafo capaz de
fornecer registros legíveis de sismos afastados. O seu princípio
fundamental é o do pêndulo invertido. Com os seus colaboradores,
Wiechert fundou a investigação do interior da Terra, com os primeiros
resultados bem estabelecidos.
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