Riassunto / Abstract

Questa attività permette di visualizzare, utilizzando una particolare molla (Slinky) le modalità con cui si propagano le onde sismiche nell’interno della Terra. Le Slinky sono molle poco elastiche utilizzate come giocattolo ma anche per la didattica, e sono facilmente reperibili. Poiché queste molle hanno una massa lineare abbastanza grande ed una piccola costante elastica, lungo di esse la propagazione degli impulsi è relativamente lenta e può essere quindi osservata agevolmente.

Scheda sintetica delle attività

Utilizzando la Slinky si possono ‘generare’ onde P e onde S. Con un estremo della molla fisso, è possibile generare un’onda longitudinale (onda P) comprimendo alcune spire dell’estremo libero, che vengono poi rilasciate istantaneamente. Il disturbo creato si trasmette lungo la slinky per successive compressioni e dilatazione delle spire con movimento parallelo alla direzione di propagazione. Con un estremo della molla fisso, è possibile anche generare un’onda trasversale (onda S) spostando verso l’alto o verso il basso oppure lateralmente una spira dell’altro estremo. Ciò genera uno spostamento delle spire perpendicolare alla direzione di propagazione del moto. Poiché il materiale è elastico e le spire sono connesse, come le singole particelle di un solido, il movimento di ciascuna spira si trasmetterà alla adiacente ed il disturbo si propagherà dalla sorgente all’ultima spira della slinky.

Risorse necessarie

Una o più slinky (figura 1);
cronometro;
nastro colorato.

Prerequisiti necessari

Conoscere i diversi tipi di onde sismiche.

Obiettivi di apprendimento

Comprendere come si propagano le onde sismiche nell’interno della Terra.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

L’esperienza può essere effettuata da gruppi di studenti forniti di una molla (poggiata preferibilmente su un tavolo) e un cronometro: due studenti tendono le due estremità della molla (uno degli studenti deve tenere fissa la molla). Se a un estremo, lo studente con le dita comprime tre o quattro spire della molla, il rilascio improvviso produrrà un movimento di compressione e dilatazione che si propagherà lungo tutta la molla. Ogni volta che viene raggiunta l’estremità della molla, l’onda così prodotta viene riflessa e percorrerà più volte l’intera lunghezza della molla. L’ oscillazione delle spire, indotta dall’impulso di compressione, è parallela alla direzione di spostamento dell’impulso stesso. Questa modalità di propagazione è analoga a quella di un’onda P o prima, o longitudinale (figura 2).

Figura 2: visualizzazione della propagazione delle onde P attraverso l’uso di una Slinky

Se invece, si pizzica una spira secondo una direzione perpendicolare alla lunghezza della molla e se la si lascia improvvisamente, si genera un impulso che si propaga trasversalmente alla sua direzione di spostamento. Questa modalità di propagazione è analoga a quella di un’onda S, o seconda, o trasversale (figura 3). Con del nastro colorato applicato ad una spira, si potrà notare che è l’onda a propagarsi e non le spire a spostarsi lungo la molla. Utilizzando un cronometro si può inoltre verificare che la velocità di spostamento degli impulsi lungo la molla è sensibilmente più grande per gli impulsi longitudinali (onde P) rispetto a quelli trasversali (onde S).

Figura 3: Visualizzazione della propagazione delle onde S attraverso l’uso di una Slinky

Note e storia

Il terremoto, generandosi all’interno della Terra, quindi in mezzi elastici, produce onde meccaniche. Tali onde sono generate dall’oscillazione di una porzione del mezzo intorno alla sua posizione di equilibrio, si trasmettono da uno strato al successivo e quindi all’intero mezzo. La trasmissione delle onde meccaniche, pertanto, avviene solo se c’è materia. Queste onde possono essere individuate da strumenti chiamati sismometri, che captano, amplificano e registrano il movimento del terreno su cui sono collocati. La velocità con la quale le onde elastiche viaggiano dipende dalla densità e dai moduli elastici delle rocce che attraversano. Ci sono due tipi di onde elastiche: le onde di volume e le onde superficiali.

Le onde di volume , onde che viaggiano all’interno della Terra, sono di due tipi: le onde P e le onde S.
Le onde P, onde longitudinali sono le più veloci. Esse si propagano come le onde sonore nell’aria e fanno oscillare le particelle di roccia con un movimento che avviene nella stessa direzione di propagazione dell’onda. In sostanza, al loro passaggio, le rocce si comprimono e si dilatano continuamente per successive compressioni e dilatazioni del mezzo. Questo tipo di movimento implica variazioni di volume. Le onde S viaggiano più lentamente delle onde P. Sono onde trasversali, ovvero di torsione, capaci di imprimere nelle particelle vibrazioni in direzione ortogonale alla direzione di propagazione dell’onda. Le onde trasversali sono fortemente attenuate nei mezzi poco rigidi, fino a scomparire totalmente nei fluidi. Inoltre producono variazioni di forma senza cambiamenti di volume.

Figura 4: modalità di propagazione delle onde P e S all’interno della Terra.

In un mezzo omogeneo e infinito, all’ipocentro sono prodotte contemporaneamente solo onde P e S. Se il mezzo è finito e non omogeneo, in tutte le direzioni possono generarsi altri tipi di onde dette onde superficiali perché confinate ai bordi. Tali onde vengono solitamente distinte in onde di Love e onde di Rayleigh.

Bibliografia

Autori

Cifelli Francesca

Specifiche esperimento

Materia
Scienze della Terra
Classi a cui è rivolto
2° biennio
Tipologia di laboratorio
Povero
Reperibilità del materiale
Negozi specializzati, siti web
Materiale specifico
Una o più molle slinky, cronometro, nastro colorato
Durata esperimento in classe
1 h
Capacità di bricolage/assemblaggio
No
Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche
No
Necessità PC per acqusizione/analisi dati
No
Necessità di uno smartphone
No
Parole chiave
Scienze della Terra
Tettonica delle placche
Terremoti
Onde sismiche