Что такое сейсмограф кратко

Обновлено: 05.07.2024

Сейсмограф — специальный измерительный прибор, который используется для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн. В большинстве случаев сейсмограф имеет груз с пружинным прикреплением, который при землетрясении остаётся неподвижным, тогда как остальная часть прибора (корпус, опора) приходит в движение и смещается относительно груза. Одни сейсмографы чувствительны к горизонтальным движениям, другие — к вертикальным. Волны регистрируются вибрирующим пером на движущейся бумажной ленте. Существуют и электронные сейсмографы (без бумажной ленты).

До недавнего времени в качестве чувствительных элементов сейсмографов в основном использовались механические или электромеханические устройства. Вполне естественно, что стоимость таких инструментов, содержащих элементы точной механики, является настолько высокой, что они практически недоступны для рядового исследователя, а сложность механической системы и, соответственно, требования к качеству ее исполнения фактически означают невозможность изготовления подобных приборов в промышленных масштабах.

Бурное развитие микроэлектроники и квантовой оптики в настоящее время привело к появлению серьёзных конкурентов традиционным механическим сейсмографам в средне- и высокочастотной области спектра. Однако, такие устройства на основе микромашинной технологии, волоконной оптики или лазерной физики, обладают весьма неудовлетворительными характеристиками в области инфранизких частот (до нескольких десятков Гц), что является проблемой для сейсмологии (в частности, организации телесейсмических сетей).

Существует и принципиально иной подход к построению механической системы сейсмографа - замена твёрдой инерционной массы жидким электролитом. В таких устройствах внешний сейсмический сигнал вызывает поток рабочей жидкости, который, в свою очередь, преобразуется в электрический ток с помощью системы электродов. Чувствительные элементы подобного типа получили название молекулярно-электронных. Преимуществами сейсмографов с жидкой инерционной массой является низкая стоимость, продолжительный, порядка 15 лет, срок службы и отсутствие элементов точной механики, что резко упрощает их изготовление и эксплуатацию.

Компьютеризированные сейсмоизмерительные системы

С появлением компьютеров и аналого-цифровых преобразователей функциональность сейсмоизмерительного оборудования резко повысилась. Появилась возможность одновременно фиксировать и анализировать в реальном времени сигналы с нескольких сейсмодатчиков, учитывать спектры сигналов. Это обеспечило принципиальный скачок в информативности сейсмоизмерений.

Первый сейсмограф, упоминание о котором осталось в истории, был создан в Китае почти две тысячи лет назад. Ученый астроном Чжан Хен изготовил для китайского императора огромную двухметровую чашу из бронзы, стенки которой поддерживали восемь драконов. В пасти каждого из драконов лежал тяжелый шар.

Внутри чаши был подвешен маятник, который при подземном толчке ударял о стенку, заставляя пасть одного из драконов раскрыться и выронить шар, падавший прямо в рот одной из больших бронзовых жаб, сидящих вокруг чаши. По описанию, прибор мог регистрировать землетрясения, происходящие на расстоянии до 600 км от места, где был установлен.

Строго говоря, каждый из нас может сам изготовить простейший сейсмограф. Для этого нужно подвесить гирю с заостренным концом точно над ровной поверхностью. Любое колебание грунта заставит гирю колебаться. Если припудрить площадку под грузом порошком мела или мукой, то прочерченные острым концом гирьки полоски укажут силу и направление колебаний.

Правда, такой сейсмограф для жителя большого города, дом которого находится рядом с оживленной улицей, не годится. Проезжающие тяжелые грузовики то и дело будут колебать почву, вызывая микроколебания маятника.

Первый сейсмограф современной конструкции изобрел русский ученый, князь Б. Голицын, который использовал преобразование механической энергии колебаний в электрический ток.

Конструкция довольно проста: грузик подвешивается на вертикально или горизонтально расположенной пружине, а к другому концу груза крепится перо самописца.

Вращающаяся бумажная лента служит для записи колебаний груза. Чем сильнее толчок, тем дальше отклоняется перо и дольше колеблется пружина. Вертикальный груз позволяет регистрировать горизонтально направленные толчки, и наоборот, горизонтальный самописец записывает толчки в вертикальной плоскости. Как правило, горизонтальная запись ведется в двух направлениях: север–юг и запад-восток.

Записи сейсмографов необходимы для изучения закономерностей появления подземных толчков. Этим занимается наука, называемая сейсмологией. Наибольший интерес для сейсмологов представляют районы, расположенные в так называемых сейсмически активных местах – в зонах разломов земной коры. Там нередки извержения вулканов и передвижения огромных пластов подземных пород – т.е. то, что обычно вызывает землетрясения.

Как правило, крупные землетрясения не возникают неожиданно. Им предшествуют серии мелких, почти незаметных толчков особого характера. Научившись предсказывать землетрясения, люди смогут избегать гибели из-за этих катаклизмов и минимизировать наносимый ими материальный ущерб.

Сейсмо́граф

Прибор для записи упругих колебаний земной коры, вызванных землетрясениями или искусственными взрывами

Зачем нужны сейсмографы?

Все записи сейсмографов помогают ученым разобраться в закономерности наступления всех колебаний. На этой почве зародилась наука, названная сейсмологией. Наиболее часто под изучение подходят зоны, где землетрясения — постоянная ситуация, например, в горной местности или местах разломов. Там также происходят извержения вулканов наряду с осыпями, оползнями.

Как уже многие исследователи в этой сфере успели понять за счет практики, сильное землетрясение произвольным образом не возникает. То есть перед его наступлением необходимы более слабые толчки, вследствие которых и предсказывают наступление серьезной катастрофы. Такие выводы помогают людям приготовиться к возможным потерям, покинуть дом, взяв необходимые вещи.

Принцип работы

Принцип работы сейсмографа основан на передаче колебаний предметам, установленным на участке земной коры. При нахождении одной плиты земной коры на другую накапливается огромное количество энергии, при ее высвобождении происходит сотрясение.

Что такое сейсмограф? Современные приборы состоят из маятника, подвешенного на нити и закрепленного к стойке, прочно стоящей на грунте. На конце маятника имеется перо, которое при колебании будет вычерчивать амплитуду значения деформации. Барабан с бумагой, на которой будет отображаться процесс землетрясения, устанавливается также на грунте жестко. Когда происходит землетрясение, маятник за счет инерции остается на месте, а барабан с бумагой совершает колебательные движения, вычерчивая значение энергии, высвобождаемой при явлении землетрясения. Современные приборы способны контролировать даже незначительные изменения, не несущие разрушения.

Что такое сейсмограф у животных? Их организм устроен так, что малейшие изменения в атмосфере и состоянии земной поверхности в радиусе нескольких километров вызывают у них тревогу. Срабатывает закон самосохранения, и они покидают опасные территории. Самыми чувствительными к явлению землетрясения считаются относящиеся к видам амфибий и рептилий, то есть змеи, лягушки, ящерицы.

Современные сейсмографы способны определять и измерять амплитуду колебаний в трех плоскостях. Измеряя виброскорость, сейсмографы имеют диапазон частот измерения от 0,3 до 500 Гц, при диапазоне измерения скорости колебания — от 0,0002 до 20 мм/с. Сейсмографы бывают как переносные, так и стационарные. Последние выполняют больших размеров и устанавливают конкретно один раз и на весь срок службы. Переносные возможно переустанавливать в определенное место в зависимости от местности. Все современные модели снабжены программными интерфейсами и передают напрямую все свои измерения в базу данных на компьютер.

Что такое сейсмограф и куда его установить? Его размещают на потенциально опасных участках, где возможны проявления колебаний земной коры. Переносные сейсмографы устанавливают на участках горных или подземных разработок, чтобы избежать человеческих жертв, предупредив землетрясения и эвакуировав рабочий персонал. При установке следует учитывать, что прибор может давать серьезные погрешности, если устанавливать его вблизи дорог, где возможен проезд тяжелой техники.

Чжан Хэн и первый в мире сейсмограф

С глубокой древности Китай был сейсмоопасным регионом. В исторических хрониках содержится немало сведений о землетрясениях, разрушавших целые города ещё до нашей эры. Для большой территории Империи Хань каждое подобное землетрясение несло огромную опасность — внешние враги не брезговали воспользоваться чужой бедой, устраивая налеты на поврежденные города и грабя дезориентированных жителей.

Чтобы пресекать подобные случаи и вовремя помогать собственному населению, необходимо было сразу же узнавать о произошедшей трагедии и немедленно выдвигаться к месту событий. Где же ещё, как не в Китае, должен был появиться первый сейсмограф? Его создателем стал выдающийся древнекитайский учёный Чжан Хэн.

Китайский изобретатель Джан Хэн

Чжан Хэн родился в семье обедневшего китайского чиновника в 78 году н.э. С детства проявляя трудолюбие и тягу к знаниям, Чжан Хэн всегда выделялся среди своих сверстников. Молодой человек быстро продвигался по карьерной лестнице, поэтому неудивительно, что уже в 37 лет он занял одну из самых уважаемых должностей в империи Хань — пост придворного историографа-астролога. За свою жизнь Чжан Хэн придумал множество интересных изобретений, усовершенствовал географические карты Китая, внес большой вклад в развитие математики. Кроме того, он стал первым, кто утверждал, что свет Луны — это отраженный солнечный свет. Но самым известным его творением является сейсмограф, который он представил императору в 132 году н.э после того, как очередное землетрясение нанесло большой ущерб столице. Если верить древнекитайским авторам, удивительный сейсмограф позволял регистрировать землетрясения, происходящие за сотни километров от места нахождения прибора.

Сейсмограф Чжан Хэна мало чем напоминает современные приборы для измерения подземной активности. Он представляет собой огромный медный сосуд, внутри которого располагался прикреплённый к вершине маятник. К маятнику были подведены 8 рычагов, распределённых равномерно по окружности. Под воздействием малейших подземных толчков от бушующего вдалеке землетрясения маятник отклонялся в сторону, активируя один из рычагов, который, в свою очередь, крепился другим концом к выходящей наружу голове дракона с находящимся внутри металлическим шаром. Система пружин сбрасывала шар вниз в фигуры жаб с широко открытым ртом. Упавший шар создавал гулкий звон, который был слышен по всему дворцу.

Современный экземпляр первого в мире сейсмографа

Сейсмограф пришёлся по нраву императору и с тех пор всегда находился в рабочем состоянии, готовый предупредить о случившейся беде. Данный сейсмограф стал первым в истории, увековечив имя своего создателя. Судьба же самого Чжан Хэна круто изменилась через 4 года после изобретения прибора: в результате дворцовых интриг учёный был изгнан из столицы и назначен управляющим отдаленной провинцией империи, где он работал до конца своей жизни.

Современный экземпляр первого в мире сейсмографа

Но остаётся самый главный вопрос — действительно ли сейсмограф Чжан Хэна регистрировал землетрясение, или описания его работы чересчур приукрашены? Интересно, что во всех сохранившихся описаниях большое внимание уделяется именно внешнему виду сейсмографа, а не принципу его работы. Прибор безусловно красив, а его дизайн поистине оригинален, но современным исследователям хотелось бы больше узнать о его внутренней начинке. Нет сомнений, что главной деталью внутреннего механизма являлся подвешенный маятник с невероятной точностью умевший реагировать на подземные толчки, происходившие на больших расстояниях. Как именно был он закреплён в сосуде и что позволяло ему замечать подземные толчки, которые не мог ощутить человек? К сожалению, это так и остаётся главной загадкой.

Конечно, энтузиасты много раз предпринимали попытки создать похожий прибор. Все сейсмографы Чжан Хэна, которые мы сегодня наблюдаем в музеях — это работы современных мастеров. При изготовлении внутренностей данных сейсмографов примерялись передовые материалы, а сам маятник изготавливался с ювелирной точностью, которая, при всём уважении к древнекитайским умельцам, не могла быть достигнута две тысячи лет назад. Расположенные во многих частях света, эти приборы ни разу не смогли зарегистрировать ни одного землетрясения. Хотя некоторые из природных бедствий были довольно сильными и даже привели к многочисленным жертвам.

Но, быть может, мы просто недооцениваем гений изобретателя, который почти два тысячелетия назад смог с помощью простейших технологий создать удивительно точный работающий сейсмограф?

Принцип работы первого китайского сейсмографа

Схема, по которой работал аппарат была следующей:

Когда начиналось землетрясение, первые толчки земли заставляли детектор трястись.
При этом, шарик, который был помещен внутрь дракона, начинал двигаться.
Затем он падал из пасти мифической рептилии прямо в рот жабы.

Принцип работы китайского сейсмографа.Во время падения шарика раздавался характерный лязгающий звук. Удивительно, но первый сейсмограф указывал даже направление, в котором находился эпицентр землетрясения (для этого на приборе были прикреплены дополнительные драконы). К примеру, если шар выпал из дракона с восточной части прибора, значит, беды нужно ждать на западе.

В древние времена считалось, что землетрясения – очень недобрый знак и гнев небес. В древней китайской философии даже было придумано специальное ученье, которое разбирало по косточкам баланс между двумя силами Инь и Ян. Естественно, эта наука не могла обойтись без объяснения такого феномена, как землетрясение. По мнению китайцев того времени, земля сотрясается не просто так, а из-за глобального нарушения баланса.

Почему иногда случаются подземные толчки, сила которых может привести к катастрофе? Все списывалось на неправильные решения китайских правителей. Увеличились налоги? Небеса накажут Китай землетрясением! Развязана война? Жди беды! Большой процент землетрясений, которые происходили тогда, были скрупулезно описаны. Историки считали важным писать обо всем, что творилось в такой неблагоприятный день.

Благодаря исследованиям Чжан Хэна было установлено, что землетрясения -естественное явление, узнать о котором можно заранее. Для этой цели он и создал сейсмограф.

С глубокой древности одним из самых страшных стихийных бедствий являются землетрясения. Поверхность земли нами подсознательно воспринимается как нечто незыблемо прочное и твердое, основа, на которой стоит наше существование.

Если же эта основа начинает трястись, обрушивая каменные здания, изменяя русла рек и воздвигая горы на месте равнин – это очень страшно. Неудивительно, что люди пытались предсказать новые землетрясения, чтобы успеть спастись, убежав из опасного района. Так и был создан сейсмограф.

Что такое сейсмограф?

Сейсмографы, используемые учеными

Зачем нужны сейсмографы?

С древних времен люди знают, что землетрясение - это глобальное бедствие, которое очень сложно избежать. Человек подсознательно не может воспринимать землю вокруг в качестве чего-то очень хрупкого и слабого. Он смотрит на нее как на твердое образование, которое выстоит все невзгоды, обрушившиеся на него. Каждый автоматически начет паниковать, когда увидит землетрясение в полной силе. Зная, что такое сейсмограф, многие люди старались предсказывать с его помощью потенциальные бедствия такого плана. В принципе, он с этой целью и был создан.

Что такое сейсмограф?

В переводе с греческого языка можно сказать, что слово обозначает "сотрясение" или "колебание" и "писать", "записывать". Таким образом, становится понятно, что такое сейсмограф, в общих чертах. Этот прибор должен фиксировать все происходящие колебания в округе. Площадь его ответственности уже зависит от характеристик самого устройства.

Предшественник целой династии сейсмографов - это прибор, который появился еще в Китае примерно две тысячи лет тому назад. Рождение устройства произошло благодаря астроному Чжан Хену, который сам сконструировал его для того, чтобы отдать императору. Устройство представляло собой большую бронзовую чашу, которая своими размерами превышала человеческий рост. Она была окружена драконами, которые как будто поддерживали ее целостность. Во рту каждого создания находились небольшие, но очень тяжелые шары.

Принцип работы заключался в том, что находящийся внутри чаши маятник при малейших толчках ударялся о стенки, отчего дракон ронял свой шар, который катился до одной из лягушек, окружавших драконов. Первый сейсмометр - специальный измерительный прибор, который мог улавливать колебания за 600 километров от места установки.

Такое изобретение было актуально в Китае, так как именно эта зона подвергалась частным землетрясениям ввиду того, что располагалась среди гор.

Сейсмограф своими руками

Зная, что такое сейсмограф и для чего он нужен, каждый при желании может сделать его самостоятельно. Правда, он будет не таким чувствительным, как профессиональные устройства, но тоже сможет ощущать недалекие толчки. Для этого необходимо найти небольшую гирю, которая к концу будет слегка заостренной. Затем ее вешают на держатель, а под низом располагают плоскую посуду. При колебаниях гиря будет ударяться об нее. Можно под низом расположить муку или порошок мела, тогда гиря точно будет вырисовывать на них направления колебаний, а также показывать силу самого землетрясения.

Если человек живет в большом городе, где постоянные шумы и колебания - это норма, то вряд ли подобное устройство поможет ему что-либо зафиксировать. Максимум, что возможно - это почувствовать колебания самому и попробовать предположить их силу.

Сейсмографы, используемые учеными

Что такое сейсмографы современного типа? Это изобретение, которое представил русский ученый Голицын. Он ввел такое новшество в устройство, с помощью которого все колебания учитывались графически. Вид у подобного прибора был достаточно простой - небольшой груз был подвешен на пружинку с одной стороны, а с другой присоединено перо самописца. Как только происходили толчки, пишущее средство начинало активно двигаться.

Также возле пера находилась специальная лента из бумаги, на которой и располагались все записи. Несмотря на то что груз направлен вертикально, он помогает регистрировать все данные за счет преобразования горизонтальных толчков. Также это происходит благодаря пружине, которая колеблется и заставляет перо "ходить ходуном".

Зачем нужны сейсмографы?

Все записи сейсмографов помогают ученым разобраться в закономерности наступления всех колебаний. На этой почве зародилась наука, названная сейсмологией. Наиболее часто под изучение подходят зоны, где землетрясения - постоянная ситуация, например, в горной местности или местах разломов. Там также происходят извержения вулканов наряду с осыпями, оползнями.

Читайте также: