Riassunto / Abstract

Gli sforzi in atto all’interno della Terra provocano la deformazione elastica dei corpi rocciosi. Se tali sforzi superano il limite di rottura, le rocce si fratturano e si genera (o si riattiva) una faglia (vedi anche esperimento 76-Scienze). Il terremoto avviene in quanto lungo la superficie di faglia le rocce deformate tornano bruscamente all’equilibrio con un meccanismo di rimbalzo elastico, caratterizzato da violente oscillazioni.  Il processo di deformazione elastica delle rocce, fino alla rottura, e il successivo rimbalzo elastico costituiscono nell’insieme il ciclo sismico, che può ripetersi sistematicamente in una regione. Attraverso questa semplice esperienza è possibile visualizzare come funziona il ciclo sismico e capire perché i terremoti non si possono prevedere.

Scheda sintetica delle attività

L’esperimento consiste nel far scivolare un blocco di syporex (o di qualsiasi altro materiale ruvido) su carta vetrata. Il blocco è tirato in modo costante attraverso un filo; tra il blocco e il filo è interposto un elastico che rappresenta la deformazione elastica delle rocce. Quando il filo viene tirato, l’elastico si tende fino a che non si supera la resistenza allo scorrimento e l’attrito statico si trasforma in attrito dinamico. Ogni scorrimento rappresenta un ‘terremoto’ (liberazione di energia, momento cosismico del ciclo) mentre ogni fase di accumulo di energia (tensione dell’elastico) rappresenta la fase intersismica del ciclo sismico. Dall’esperimento si vede che gli scorriemnti non avvengono in modo regolare nel tempo e non sono della stessa entità. Questo significa che non si può predire quando gli scorrimenti (i terremoti) si verificheranno. 

Risorse necessarie

Per la realizzazione dell’esperienza si può fare riferimento alla descrizione riportata nella guida del Kit didattico ‘Sismo-box’ (pagine 16-22), disponibile nella parte della piattaforma LS-OSA dedicata ai Laboratori Itineranti oppure cliccando qui. Il Kit contiene tutte le parti necessarie per la realizzazione dell’esperienza  (figura 1) ma non è necessario avere l’intero Kit; infatti, i singoli componenti possono essere realizzati separatamente seguendo le istruzioni riportare nella guida alle pagine 42-44 e 59-60. 
Per realizzare l’esperimento si utilizza:

• un trapano avvitatore a batteria (con il suo apposito supporto);
• un rotolo di carta vetrata;
• un blocco syporex;
• un trasduttore di segnale piezoelettrico (vedi anche esperienza 76-Scienze);
• una scheda audio esterna;
• un chiodo di 8 cm;
• un filo e un elastico (nel kit sono già assemblati insieme). L’elastico è l’equivalente della molla.

Prerequisiti necessari

• Saper descrivere un fenomeno sismico;
• saper relazionare lo sforzo alla deformazione delle rocce.

Obiettivi di apprendimento

• Illustrare i principi fondamentali della dinamica stick-slip;
• verificare sperimentalmente se esiste una proporzionalità tra l’energia immagazzinata dalla molla (elastico) durante il suo allungamento e l’energia liberata dal blocco durante la fase di scivolamento che simula il sisma
• verificare la proporzionalità tra il tempo intersismico e l’energia rilasciata dal terremoto e identificare se la sequenza degli eventi è caratterizzata da periodicità;
• sulla base dei risultati ottenuti sarà possible, quindi, verificare se sia possibile prevedere i terremoti

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

L’esperienza consiste nell’osservare ciò che accade quando il blocco di syporex viene tirato in modo continuo sulla carta vetrata. E’ possibile registrare i dati relativi all’energia accumulata nell’elastico (molla) e all’energia liberata dal blocco in movimento (terremoto) durante la durata dell’esperienza.

Prima di avviare l’esperimento verificare che:

• il sensore piezoelettrico sia fissato sul blocco che deve scorrere (se ne mette uno solo, anche se nel video allegato l’operatore ne mette due);
• il computer portatile abbia il cavo elettrico scollegato (per vie di correnti parassite che possono interferire con la registrazione).

Dal menu a tendina Sismo Logic cliccare su ‘Audacity for stick-slip (1ch, 16bits; 1000Hz) Local. Si ricorda che il tempo sperimentale non dovrebbe eccedere i 30 secondi per non saturare il numero di dati acquisibili e gestibili.

Si mette in moto il trapano avvitatore in modo tale che il sistema filo-elastico (in linea con il blocco) inizi a tendersi. Superata una soglia di attrito statico, il blocco si muoverà con uno scatto (attrito dinamico) per poi fermarsi nuovamente, tornando allo stato di quiete. Continuando a tendere il sistema filo elastico ricomincia un nuovo ciclo. Il risultato finale dell’acquisizione stick-slip  è riportato in figura 2.

A fine registrazione, si esporta il file andando su File/Esporta. Dopo aver attribuito il nome al file .wav (figure 3a e 3b) il programma chiede all’utente di verificare alcune informazioni prima dell’esportazione (vedi dettaglio in figura 3c).

Il programma SISMO-LOGIC automaticamente legge il file e visualizza i risultati (figura 4). 

Il grafico permette di visualizzare il trend della curva azzurra (block energy). Questa curva descrive le fasi di accumulo di energia (fase ‘stick’) e le fasi di liberazione rapida di energia (fase ‘slip’, cioè il terremoto). L’energia liberata durante ognuno degli eventi si calcola come quadrato dello slip registrato durante due eventi (proporzionale all’energia cinetica \(\frac{1}{2} mv^2\)). È possibile osservare come la curva azzurra sia lontana dalla curva rossa di equilibrio (energia teorica).

Se si clicca con il tasto destro sulla figura appare un nuovo menu (figura 4) dal quale si può selezionare ‘See the correlations’ per mettere a confronto le grandezze registrate. In figura 5  si può visualizzare la correlazione tra ritardo tra due e l’energia accumulata tra due scorrimenti. La correlazione è molto bassa, e questo significa che non c’è correlazione tra intensità dello scorrimento e il tempo trascorso tra due scorrimenti successivi. A volte può succedere che il ritardo tra due terremoti sia grande ma il terremoto è di bassa energia. Oppure, può succedere il contrario, cioè anche se il ritardo tra due eventi è piccolo, il terremoto è di grande entità. Questo significa che non è possibile fare previsioni né su quando un terremoto avverrà né su quanto sarà energetico!

Per gli esperti di Excel, i risultato possono essere visualizzati con questo programma scegliendo nel menu che appare sul diagramma di figura 4  ‘See the Excel file’.

N.B. 

I parametri liberi del problema possono facilmente essere variati aggiungendo pesi sul blocco di Syporex per cambiarne la massa, utilizzando diverse molle al posto dell’elastico, ricoprendo la superficie di contatto del blocco con un materiale diverso per cambiare i valori dei coefficienti d’attrito, cambiando la velocità di avvitamento del trapano.

Un’aggiunta a questa esperienza, per coinvolgere la classe, è di utilizzare l’altro sensore piezoelettrico e di chiedere a uno studente durante la corsa dell’esperimento di batterci sopra quando pensa che il blocco stia per muoversi. Molto probabilmente non ci sarà corrispondenza tra lo scorrimento del blocco e il colpo dello studente! (figura 6).

Note e storia

L’attrito è un ‘ingrediente’ fondamentale del nostro quotidiano. Concentrandoci sul solo attrito di contatto, il suo ruolo è evidente quando vogliamo spingere o trascinare un oggetto pesante. E’ noto che è molto più difficile spostare tale oggetto dalla sua posizione di quiete (quando agisce la forza d’attrito statico) di quanto non sia tenerlo in movimento una volta che lo spostamento si è avviato (quando agisce la forza d’attrito dinamico). L’alternarsi di fasi di prevalenza dell’attrito statico e dinamico caratterizza una vasta quantità di fenomeni naturali nei quali l’interazione di contatto tra due materiali è mediata dalle proprietà elastiche del sistema. In questi fenomeni durante la fase di dominanza dell’attrito statico s’immagazzina energia potenziale elastica cui segue una fase in cui l’energia immagazzinata si trasforma in energia cinetica, finché il sistema non torna nello stato di quiete e comincia un nuovo ciclo. Questa peculiare dinamica, detta di tipo stick-slip (cioè aderenza-slittamento), caratterizza anche le faglie sismogenetiche, fratture della roccia che mostrano evidenze di rapido movimento relativo e conseguente rilascio di energia. Solo quando lungo la faglia sismogenetica l’accumulo di energia elastica prodotta dagli sforzi tettonici diventa sufficientemente grande da vincere le forze di attrito statico, le masse rocciose a contatto lungo la faglia di mobilizzano rapidamente rilasciando energia cinetica e termica. L’energia complessiva rilasciata, E, data dalla relazione:

\[E = \sigma \cdot A \cdot \delta\]

dove \(\sigma\) è lo stress medio rilasciato durante il moto della faglia, \(A\) è la superficie della faglia e \(\delta\) è lo spostamento avvenuto lungo la faglia. L’analogo più semplice per rappresentare la dinamica dello stick-slip è noto come “spring block” ed è proposto in questa esperienza dove verranno realizzate specifiche speculazioni sulla dinamica dei terremoti.

Autori

Cifelli Francesca

Specifiche esperimento Materia Scienze della Terra Classi a cui è rivolto 5° anno Tipologia di laboratorio Povero Reperibilità del materiale Negozi specializzati, siti web Materiale specifico Blocco ruvido di legno, syporex o altro materiale, rotolo di carta vetrata, cronometro, fettuccia metrica, elastico, avvitatore (opzionale) Durata esperimento in classe 1 h Capacità di bricolage/assemblaggio Sì Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche Sì Necessità PC per acqusizione/analisi dati Sì Necessità di uno smartphone No Parole chiave Scienze della Terra Tettonica delle placche Terremoti Sismometro