شرح خبر

در آینده می‌توان با قرار دادن ساختمان‌ها پشت ردیفی از درختان، آن‌ها را در برابر زلزله مقاوم کرد. به گفته فیزیک‌دانی فرانسوی، امواج لرزه‌ای خاصی، که به امواج لاو مشهورند، هنگامی که از میان جنگلی با درختانی با ارتفاعی خاص عبور می‌کنند، می‌توانند از سطح زمین به سمت جهتی دیگر منحرف شوند. جنگل همانند فراماده یا متامتریال عمل می‌کند، یعنی ساختاری مصنوعی که معمولاً از آن برای هدایت تشعشعات الکترومغناطیسی به دور اشیاء استفاده می‌شود.

تصویری از درختان جنگل، که از ساختمان‌ها در برابر زلزله محافظت می‌کند.

محافظت طبیعی: آیا درختان می‌توانند حفاظی برای ساختمان‌ها در برابر زلزله باشند؟

فراماده که بیشتر با کاربردشان به عنوان شنل نامرئی شناخته شده است، از مجموعه بزرگی از تشدیدگرهای کوچک تشکیل شده که نور و دیگر امواج الکترومغناطیسی را به شیوه‌های غیرطبیعی دست‌کاری می‌کند. در سال‌های اخیر، ریاضیاتی که در فراماده‌ها به کار گرفته شده، برای انواع دیگری از تشعشعات نیز، از جمله امواج لرزه‌ای اعمال شده است. راه‌کار ارائه‌شده در این‌جا، استفاده از آرایه‌ای از اشیائی با اندازه‌های مناسب در زیر یا روی سطح زمین (به شکل حفره یا ستون) است تا امواج لرزه‌ای را از ساختمان‌های آسیب‌پذیر به جهات دیگر منحرف کند.

طبق گفته سباستین گنو (Sébastien Guenneau) از موسسه فرسنل مارسی، اگرچه در این محافظت و ایزوله‌سازی منفعل معمولاً فرکانس تشدید ساختمان هدف قرار می‌گیرد، اما حفاظ‌های لرزه‌ای در اصل می‌توانند باند وسیعی از فرکانس‌ها را برای حفاظت پوشش دهند. او می‌گوید در خصوص بناها و یادواره‌های تاریخی که تغییر در آن‌ها امکان‌پذیر نیست، می‌توان چیزهایی به ساختمان افزود و سپس آن‌ها را به این سامانه محافظتی تجهیز کرد. گنو عضو گروهی است که مبنای اصلی این «شنل(حفاظ‌)های لرزه‌ای» را در سال 2012 نشان دادند. آن‌ها با حفر یک شبکه دوبعدی از سوراخ‌هایی به عمق 5 متر، روی خاک سطحی زمین و اندازه‌گیری اثر این شبکه بر امواج صوتی که در نزدیکی آن تولید می‌شد، این کار را انجام دادند.

پژوهش‌گران دریافتند تنها دو ردیف سوراخ می‌تواند نیمی از انرژی موج را به سمت منبع بازگرداند. چند سال بعد، گروه دیگری که متشکل از گنو و فیلیپه روکس (Phillippe Roux) از دانشگاه گرونوبل بودند نشان دادند طبیعت نیز می‌تواند همین کار را انجام دهد. آن‌ها نشان دادند جنگل کوچکی از درختان کاج در گرونوبل می‌تواند بسیاری از انرژی‌ها با پهنای فرکانسی خاصی را، که «امواج رایلی» نام دارد، بازگرداند. این امواج تنها در زیر سطح حرکت می‌کنند و توسط باد و لرزش‌های ناشی از کارهای جاده‌ای اطراف به وجود می‌آیند.

گنو به همراه اگنس مورل (Agnès Maurel) از موسسه لانژوین در پاریس و جین-ژاک ماریگو (Jean-Jacques Marigo) از دانشگاه پلی‌تکنیک ساکله به صورت نظری نشان دادند جنگل‌ها باید بتوانند حفاظی در برابر امواج لاو باشند. این امواج نیز همانند امواج رایلی تنها در زیر زمین حرکت می‌کنند و فقط زمانی ایجاد می‌شوند که امواج لرزه‌ای از مرکز زمین‌لرزه حرکت کرده و به سطح زمین می‌رسند. اگرچه امواج رایلی هم حرکت افقی و هم عمودی دارند، اما امواج لاو که می‌توانند بنیان ساختمان‌ها را به شدت آسیب زنند، تنها موجب لرزش افقی پهلو-به-پهلو می‌شوند.

گنو و هم‌کارانش دریافتند امواج لاو نیز همانند امواج رایلی باید لرزش‌ها را بر ساقه‌های اصلی درختان وارد کنند. آن‌ها نوع جدیدی از امواج را معرفی کردند و آن را «امواج لاو جعلی» نامیدند. وقتی موج لرزه‌ای در طول زمینی پوشیده از درخت انتشار می‌یابد، که خاک سطحی آن نسبت به زمینی که انبوهی از درختان در آن است، سرعت موج را کم‌تر تغییر می‌دهد، این موج ایجاد می‌شود. این موج به لحاظ ریاضی شبیه به موج الکترومغناطیسی است که با نام «پلاسمون جعلی» شناخته می‌شود این موج می‌تواند در طول سطح فلزی انتشار یابد که با ستون‌های فلزی نشان‌گذاری شده است. در این‌جا زمین نقش هوای بالای سطح را بازی می‌کند و درخت‌ها به جای ستون‌ها در نظر گرفته می‌شوند.

پژوهش‌گران فرض کردند امواج لاو از جنگلی با درختانی که ارتفاعشان به تدریج کم‌تر می‌شد، عبور کرده و آن‌چه را که اتفاق می‌افتاد، مورد بررسی قرار دادند. جمع‌بندی آن‌ها این بود که امواج لاو جعلی در طول جنگل تا جایی انتشار می‌یابد که به ردیفی از درختان با یک ارتفاع بخصوص برسند. سپس امواج در آن درختان لرزه ایجاد کرده و بنابراین آن‌ها را به منابع ثانویه‌ای تبدیل می‌کند که بسیاری از انرژی ارتعاشی را به سمت داخل زمین منحرف می‌کند. برعکس، آن‌ها دریافتند هنگامی که امواج لاو در طول جنگلی با درختانی که ارتفاعشان به تدریج افزایش می‌یافت، عبور کنند، مقدار زیادی از انرژی لرزه‌ای باید به سمت همان‌جایی که از آن سرچشمه گرفته‌اند، بازگردانده شود.

هم‌چنین این گروه دریافتند که شاخ و برگ درختان باید بر امواج لرزه‌ای اثرگذار باشند. آن‌ها ارتفاع درخت تشدیدکننده را برای یک فرکانس موج معین تغییر می‌دهند. مورل می‌گوید: «اثر شاخ و برگ درختان آن‌قدر قابل توجه هست که ممکن است به مدل اصلاح‌شده‌ امواج رایلی در جنگل‌ها منتهی شود».

نجات‌دهنده زندگی

گنو توضیح داد که با توجه به توانایی بالقوه و عملی «حفاظ درختی»، یک ساختمان 5 تا 10 طبقه بیش از حدود 10 هرتز تشدید نخواهد کرد. وی ادامه داد در این فرکانس، لازم است ارتفاع درختان 10 تا 15 متر باشد تا با امواج لاو تشدید کنند، درحالی که برای محافظت در برابر امواج رایلی لازم است ارتفاعشان 50 تا 75 متر باشد. از این رو او درختان را عاملی پیشگیری‌کننده در مقابل لرزش‌های افقی دانست، درحالی که تکنیک‌های متداول برای محافظت در برابر حرکت‌های عمودی نیاز است. او می‌گوید: «جنگل‌ها می‌توانند کار مهندسان عمران و شهرسازی را انجام دهند».

گنو و هم‌کارانش امیدوارند روکس را که قرار است احتمالاً در پاییز آزمایش‌های جدیدش را در گرونوبل آغاز کند، برای بررسی امواج لاو ترغیب کنند تا نشان دهند نظریه‌شان در عمل نیز خوب جواب می‌دهد. برای پشتیبانی از این طرح، تصمیم دارند در آزمایشگاهی کوچک ابتدا امواج آلتراسونیک (ماوراء صوت) و «درختان» پیزوالکتریکی با ابعاد میکرون را بیازمایند.

پینگ شنگ (Ping Sheng) از دانشگاه علوم و فن‌آوری هنگ‌کنگ، که درباره فراماده‌‌های آکوستیکی (صوتی) مطالعه کرده است، هشدار داد که این طرح پیشنهادی نیازمند درختانی با ارتفاعی خاص است که معمولاً در طبیعت یافت نمی‌شود. او توضیح داد اگر این طرح می‌توانست برای جنگل‌های واقعی‌تر هم کارایی داشته باشد، با اقبال بسیار بیشتری روبه‌رو می‌شد.

این پژوهش در پایگاه arXiv منتشر شده است.

نویسنده: Edwin Cartlidge نویسنده مقالات علمی در رم است.

منبع: How forests could limit earthquake damage to buildings

مرجع: Conversion of Love waves in a forest of trees



نویسنده خبر: مهسا توکلی دوست
کد خبر :‌ 2389
«استفاده از اخبار انجمن فیزیک ایران و انتشار آنها، به شرط
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»‌



حامیان انجمن فیزیک ایران   (به حامیان انجمن بپیوندید)

کلیه حقوق مربوط به محتویات این سایت محفوظ و متعلق به انجمن فیریک ایران می‌باشد.
Webmaster : Ali Meschian : www.irandg.com

www.irandg.com