Юный техник, 2015 № 08

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ Защита от землетрясения

Сейчас наши соотечественники из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и группа исследователей-математиков из английского Килского университета под руководством профессора Юлия Каплунова в рамках совместного проекта изучают перспективы создания специальных материалов, способных делать как бы невидимыми для землетрясений объекты, в основании которых они заложены. Учеными разработан уникальный математический аппарат, позволяющий эффективно исследовать выявленную профессором Каплуновым волну — первопричину разрушений на земной поверхности во время подземных толчков, а также описывающий методы борьбы с ней.

Подход российских ученых примечателен тем, что они изначально поставили перед собой цель понять все первопричины разрушений, вызываемых землетрясениями, а также найти эффективные методы борьбы с ними. В частности, установлено, что из всех видов сейсмических волн, которые порождают подземные толчки, в первую очередь нужно изучить так называемые поверхностные волны Релея — именно они вызывают наибольшие разрушения.

Ученые смогли показать, что волна Релея описывается почти такими же соотношениями, как и волна света. Явления на первый взгляд разные, но математическая модель у них одинаковая. Если опустить все математические сложности и упростить ситуацию до предела, то можно сказать, что учеными разработана конструкция своеобразного мола, о который будут разбиваться сейсмические волны, примерно так же, как бетонные сооружения на побережье не дают разгуляться волнам морским.

«Задача, которую нам теперь предстоит решить, это поиск подходящего метаматериала, который мог бы послужить основой для защитных конструкций. При взаимодействии с такой конструкцией волны Релея будут уходить в стороны, не повреждая защищаемого сооружения. Такие метаматериалы, в принципе, уже существуют, например, на основе меди», — уверяет Ю. Каплунов.

В результате недавнего землетрясения в Турции многие дома без защиты оказались разрушенными.

Кстати, идея создания мантии-невидимки для сооружений сама по себе не нова: над этой же проблемой работают научные группы в Манчестере, Марселе и в ряде других университетов. Так, ученые из Южной Кореи и Австралии представили еще одну теоретическую концепцию защиты от землетрясений с помощью метаматериала.

Суть идеи — в создании своеобразного волновода, который должен окружать фундамент здания и оберегать его от воздействия сейсмических волн. Расчеты, проведенные авторами, показывают, что такой волновод должен представлять собой подземный барьер в виде цилиндра. Его размеры подбираются так, чтобы экспоненциально уменьшать амплитуду сейсмических волн.

К упомянутым параметрам относятся толщина стенок цилиндра, а также тип и размеры простых элементов, из которых (по аналогии с оптическими метаматериалами) создается барьер. К примеру, в определенных случаях неплохой защитой служат бетонные цилиндры объемом около 1 куб. м, со стенками толщиной в 10 см, в которых проделаны четыре небольших отверстия. Кроме того, на практике можно будет применять кубические или гексагональные элементы, утверждают исследователи. Разные типы конструкций соответствуют разным частотам сейсмических волн.

Однако пока затраты на сооружение подобных барьеров настолько велики, что имеет смысл устанавливать волноводы из метаматериала по соседству с особо важными объектами — в аэропортах, на ядерных электростанциях и мостах.

Подобный метод защиты описан и в работе команды из Математической школы Манчестерского университета. Опять-таки для защиты зданий предлагается использовать цилиндры из синтетического метаматериала, которые размещаются в земле рядом с фундаментами. Материал поглощает механические сейсмические колебания, переводя их энергию в другие виды, напри

мер, звук и тепло, что снижает силу колебаний и предохраняет здания от разрушения. При этом, по словам профессора Уильяма Парнелла, исследователям уже удалось добиться того, что самый обычный материал (резина) может использоваться в качестве амортизатора при упругих механических волнах определенного типа.

Ученые считают, что разработка подобных защитных конструкций будет особенно актуальна для регионов с сейсмической активностью, например, для Дальнего Востока, а также для Новой Зеландии, Японии, Китая, ряда стран Европы и Южной Америки.

Схема установки барьера, окружающего некое здание, и структурный элемент этого барьера — бетонный цилиндрический резонатор.

НЕСЧАСТЬЕ МОЖНО ПРЕДСКАЗАТЬ?

О надвигающихся подземных толчках расскажут изменения в химическом составе грунтовых вод. Надежность таких прогнозов доказали шведские ученые, авторы статьи в журнале Nature Geoscience.

Аласдер Скелтон из Стокгольмского университета и его коллеги в течение 5 лет каждую неделю брали пробы воды из глубокой скважины. За это время в регионе случилось два землетрясения (интенсивностью 5,6 и 5,5 балла), и за несколько месяцев до них сейсмологи наблюдали сдвиги в соотношении изотопов водорода и уровня ионов натрия.

Впрочем, пока Скелтон не может сказать, какие именно процессы вызвали эти сдвиги. Вероятно, из-за раскалывания или тряски подземных пород в скважину попала вода из других источников.