lunedì 28 marzo 2011

Il rumore dei terremoti

Il rumore è un insieme di segnali sonori irregolari prodotti da fenomeni fisici per lo più improvvisi. Un oggetto che si rompe non lo fa mai producendo una sinfonia di Mahler ma solo una sensazione uditiva sgradevole e fastidiosa. Una rottura è un fenomeno improvviso e spesso inatteso ma la causa può essere una sollecitazione che nel tempo provoca piccole e grandi fratture che possono innescare l'irreparabile. A volte, prima di riuscire a rompere qualcosa dobbiamo provare e riprovare, indebolirne la struttura fino a quando il malcapitato oggetto non cede definitivamente. Anche la formazione di queste fratture genera un rumore che noi riusciamo a percepire solo se le frequenze di vibrazione delle onde sonore si trovano all'interno di un intervallo che va da circa 20 Hz fino ai 20 kHz. Il nostro apparato uditivo, con i suoi ben noti limiti, non è infatti in grado di cogliere parecchia roba mentre è ben noto che molti animali percepiscono (in alcuni casi producono) onde infrasoniche, quelle a frequenza inferiore a 16 Hz ed ultrasoniche, a frequenze maggiori di 20 kHz.
Schema della scala frequenza del suono
Tutto quello che accade fuori dalla nostra possibilità di ascolto diretto è molto importante e, se ne vogliamo sapere di più, ci dobbiamo dotare di strumenti che superino i limiti dei nostri sensi, che siano cioè in grado di amplificare o integrare i nostri strumenti naturali. Nel caso degli ultrasuoni ci vengono in aiuto i materiali piezoelettrici, il quarzo ad esempio, quelli capaci di produrre un basso voltaggio elettrico quando si esercita una pressione lungo un loro particolare asse. Un trasduttore piezoelettrico (si chiama così perché opera una trasformazione tra grandezze fisiche diverse, nel nostro caso una variazione di una grandezza meccanica, la pressione, in una elettrica) è quello che viene usato per sondare quello che avviene nella regione delle emissioni acustiche provocate dalle microfratture che si formano in un materiale che "invecchia" a causa di sollecitazioni esterne. Questo tipo di diagnostica è in grado di verificare come cambia la risposta di un mezzo, in genere una struttura muraria, con il suo deterioramento determinato dal ripetersi delle sollecitazioni. Mettendo a contatto struttura e sensore è possibile misurare le emissioni acustiche e capire con un certo anticipo un eventuale collasso catastrofico.
Mappa delle località della Sicilia colpite dal sisma del 1693
G. Niccolini dell'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica e A. Carpinteri, G. Lacidogna, A. Manuello del Politecnico di Torino hanno compiuto una serie di queste misure presso il Duomo di Siracusa, il Tempio di Atena, che sorge sull'acropoli di Ortigia. Si tratta di un'opera costruita con calcare locale "con un imponente sistema di fondazioni che ospita un ingegnoso sistema di vespaio, che può considerarsi come uno dei più potenti congegni statici che l'antichità ci abbia trasmesso" (queste ed altre informazioni le ho scovate qua). La struttura è stata danneggiata varie volte nel corso dei secoli, il soffitto subì un crollo nel terremoto del 1100, il campanile, danneggiato in quello del 1542, crollò durante il disastroso terremoto del 1693, in assoluto il terremoto più forte mai registrato nell'intero territorio italiano. Durante un periodo di quattro mesi, sei trasduttori piezoelettrici hanno misurato l'attività di emissione acustica di uno dei pilastri della navata ed il numero di questi eventi è stato messo in relazione con l'attività sismica locale. I dati nudi e crudi mostrano abbastanza chiaramente come ogni volta che ha luogo un evento sismico, l'attività di emissione acustica ha un brusco risveglio. Niente di sorprendente, potevamo aspettarcelo, ma queste misure consentono di ottenere una valutazione quantitativa di questa correlazione. Un processo di frattura segue infatti un'evoluzione spazio-temporale tutt'altro che casuale ed è possibile riprodurre quantitativamente la fenomenologia osservata attraverso relazioni tra pochi parametri macroscopici regolate da una semplice "legge di potenza". Se siamo in grado di derivare queste leggi, siamo in grado di determinare quanto è sensibile una struttura agli eventi sismici e la ricorrenza temporale degli eventi di frattura. Questo è quello che è stato fatto in questo lavoro di ricerca il cui risultato principale è aver stabilito che gli eventi di emissione acustica e l'attività sismica seguono la medesima legge di potenza, che vuol dire che entrambi i fenomeni rispondono allo stress nella stessa maniera. Inutile sottolineare  l'importanza di questo tipo di misure come strumento per tentare di alleggerire i danni di un terremoto, interessante provare a capire in futuro come questo possa aiutarci a decifrare la correlazione tra un evento sismico in un certo luogo ed in un certo istante ed altri eventi sismici nelle vicinanze.
ResearchBlogging.org
Niccolini, G., Carpinteri, A., Lacidogna, G., & Manuello, A. (2011). Acoustic Emission Monitoring of the Syracuse Athena Temple: Scale Invariance in the Timing of Ruptures Physical Review Letters, 106 (10) DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.108503
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