Come funziona un sismografo: dalle palle dei draghi ai dati digitali

Gli eventi sismici esistono da sempre. Fin dalle sue origini l’uomo ha tentato di registrare, quantificare e misurare gli spostamenti e le accelerazioni che manifesta il suolo durante un evento sismico. Grazie ad un sismografo e alle tecniche sempre più evolute che si sono sviluppate nel corso dei secoli, oggi è possibile registrare con la massima accuratezza le accelerazioni che subisce il suolo durante un evento sismico ed utilizzarle per valutare la massima azione sismica che può sollecitare una struttura.

Nell’articolo di oggi ti parlo del primo sismografo della storia e di come si sia evoluto fino ad arrivare ai moderni strumenti utilizzati oggi.

 Zhang Heng e gli otto dragoni

Zhang Heng

Ritratto di Zhang Heng

Il primo tentativo di registrare e misurare le scosse sismiche avvenne in Cina e risale al 132 d.C. circa 1700 anni prima dell’invenzione del primo sismografo europeo.

L’invenzione fu dello scienziato cinese Zhang Heng ed il suo funzionamento era molto ingegnoso. Un’elegante anfora conteneva un pendolo che in presenza di una scossa sismica iniziava ad oscillare. Oscillando, il pendolo spostava delle levette collocate tutte intorno sulle pareti dell’anfora. Tali levette aprivano la bocca di un drago che conteneva una pallina. All’apertura della bocca del drago, la pallina cadeva in un recipiente sottostante emettendo un rumore metallico. 

L’anfora era dotata di otto dragoni disposti tutt’intorno. A seconda delle palline che cadevano si poteva rilevare la direzione del sisma. Puoi vedere un’immagine dell’invenzione di Zhang Heng qui sotto.

 

Sismoscopio Zhang Heng

Il sismoscopio inventato da Zhang Heng

sezione sismoscopio

Una sezione del sismoscopio di Zhang Heng che ne mostra il funzionamento. Si può vedere il pendolo e le leve a cui è collegato. Il movimento del pendolo provoca l’apertura della bocca del drago

In realtà lo strumento di Zhang Heng non era un vero e proprio sismografo. Per la precisione si tratta di un sismoscopio in quanto è in grado di rilevare solo la direzione del sisma, ma non altri parametri quali l’intensità, l’accelerazione la durata e non era in grado di eseguire nessuna registrazione in funzione del tempo.

Il primo sismografo della storia

Il primo vero e proprio sismografo fu inventato nel 1751 da Padre Andrea Bina, padre benedettino dell’abazia benedettina di S. Pietro a Perugia. Si tratta di un sismografo a pendolo e il suo funzionamento è molto semplice. Un pesante masso è attaccato al soffitto per mezzo di una fune ed è libero di oscillare. All’estremità del masso è collegato uno stilo la cui punta sprofonda in una vaschetta contenente della sabbia. Tale vaschetta galleggia in un contenitore pieno d’acqua.

sismografo a pendolo

Il sismografo a pendolo ideato da Padre Bina

In presenza di un evento sismico lo stilo all’estremità del pendolo lasciava delle tracce nella sabbia. Secondo Padre Bina, dalla conformazione di tali tracce si poteva intuire la natura del sisma e l’intensità delle scosse.

Ti riporto un estratto dal suo trattato “Ragionamento sopra la Cagione de’ Terremoti ed in particolare di quello della terra di Gualdo di Nocera nell’Umbria seguito l’Anno 1751”:

Se il terremoto sarà stato regolare, o di ondeggiamento, rettilinei saranno li solchi, se tremulo ed irregolare saranno tortuosi; se sarà stato vorticoso…si conoscerà ciò dalla profondità a cui lo stilo sarà penetrato entro la materia molle…

Padre Andrea Bina

Il sismografo di padre Bina fa un bel passo avanti rispetto al sismoscopio di Zhang Heng. Questo strumento infatti era in grado di registrare le caratteristiche di un sisma grazie ai solchi lasciati nella sabbia. Ma siamo ancora lontani dal livello di accuratezza di cui possiamo disporre oggi.

Il sismografo analogico

Col passare degli anni i sismografi a pendolo sono poi stati sostituiti da sismografi basati sul principio di funzionamento di un oscillatore semplice. Una massa sostenuta da una molla può oscillare nel piano orizzontale in una data direzione. All’estremità della massa è collegato un pennino che lascia una traccia su un tamburo di carta rotante collegato ad un cronometro. In presenza di una scossa sismica, il pennino rilascia sulla carta un sismogramma. Le direzioni normalmente utilizzate per registrare gli eventi sismici in direzione orizzontale sono Nord-Sud ed Est-Ovest.

sismografo orizzontale

Esempio di un sismografo orizzontale

sismogramma Irpinia

Sismogramma registrato durante il terremoto in Irpinia (19:34 del 23 Novembre 1980)

Il sismografo elettromagnetico: un’invenzione made in Italy

Un altro passo avanti nel processo evolutivo dei sismografi è stato compiuto grazie al fisico Luigi Palmieri, direttore dell’Osservatorio Vesuviano e docente all’Università di Napoli. A lui viene attribuita l’invenzione del primo sismografo elettromagnetico risalente al 1856. Il funzionamento è simile a quello del sismografo analogico. La differenza sta nel fatto che una bobina è resa solidale con l’oscillatore ed è immersa in un campo magnetico permanente generato da un magnete. L’oscillazione della bobina all’interno del campo magnetico nel quale è  immersa genera delle correnti elettriche al suo interno (Legge di Faraday – si tratta dello stesso principio di funzionamento della dinamo di una bicicletta). Gli impulsi elettrici vengono poi elaborati per ottenere la grandezza di interesse (spostamento del suolo, accelerazione etc.).

sismografo elettromagnetico

Schema di funzionamento di un sismografo elettromagnetico

Palmieri sismografo

Sismografo elettromagnetico di Palmieri: apparato registratore dello strumento progettato nel 1856

 

L’avvento dei computer: il sismografo digitale

I sismografi elettromagnetici si sono poi evoluti col l’avvento dei computer che permettono di registrare i dati in forma digitaleE’ possibile applicare ai segnali rilevati dei filtri che permettono di eliminare le interferenze dovute ai fenomeni locali (traffico e altre attività dell’uomo) o alle caratteristiche del sistema di rilevamento (risonanza dello strumento).

In passato i sismografi dovevano essere collocati in prossimità dei centri abitati per permettere agli operatori di eseguire le letture dei dati registrati. Al giorno d’oggi questi strumenti sono così sensibili che bisogna collocarli lontano dai centri abitati, per ridurre al massimo le interferenze. Possono essere collocati anche in luoghi di difficile accesso poiché la trasmissione dei dati rilevati avviene via radio

.Attualmente la principale stazione di rilevamento dei sismi in Italia è situata nell’Istituto dell’INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia), fondato nel 1999, dove arrivano le rilevazioni di tutte le principali stazioni d’Italia. 

Conclusioni

Al giorno d’oggi valutiamo l’azione sismica grazie ad uno spettro di progetto che ci fornisce la massima accelerazione sismica per un dato periodo di ritorno in ogni punto geografico del territorio nazionale. Ciò è possibile perché in passato, grazie ad un sismografo, sono stati registrati gli spostamenti e le accelerazioni degli eventi sismici verificatisi nel corso degli anni.

Ti piacerebbe capirne di più sull’analisi sismica? Da lunedì scorso è disponibile per il download EarthQuake – la Guida Pratica per l’Analisi Sismica delle Strutture

Scarica EarthQuake (clicca qui)

Il download sarà disponibile solo per altri pochi giorni. Se sei interessato, approfittane adesso. Se l’articolo ti è piaciuto condividilo con i tuoi amici e colleghi cliccando si tasti di condivisione al link sottostante.

Al prossimo post.

Marco.