Резонаторы во спасение: как предотвращают землетрясения
Обсудить 1
В1967 году советский физик Виктор Веселаго обнаружил, что при определенном сочетании в материале магнитных и электрических свойств в нем может возникать явление, которое считалось до того невозможным: материал приобретал отрицательный показатель преломления. Поскольку этот параметр зависит лишь от скорости распространения в веществе света, а она не может превышать скорость света в вакууме, то и показатель преломления не может быть ни меньше единицы, ни тем более меньше нуля. Казалось бы, что тут еще обсуждать?
Многие из тех, кто занимался этим вопросом до Веселаго, не учитывали одного важного обстоятельства: на показатель преломления в веществе влияет именно фазовая скорость света. И на нее, в отличие от групповой, ограничения Эйнштейна не распространяются. С фазовой скоростью не может распространяться энергия, зато она может быть не только сколь угодно большой, но даже отрицательной. А значит, и вещества с отрицательным показателем преломления существовать могут. Таким образом, математики наконец-то разрешили существование плащей-невидимок, о которых раньше писали фантасты.
Виктор Веселаго, доктор физико-математических наук, профессор МФТИ
Метаматериалы, которые работают с электромагнитным излучением, исторически появились раньше, и сегодня они существенно более развиты, чем их сейсмические аналоги. Однако все, что создано в электромагнитной области, переносимо и в акустику. Математика, которая при этом используется, весьма непростая. Но она уже разработана, она существует, и, безусловно, ее можно использовать для создания сейсмической защиты зданий.
Однако ни один природный материал не обладал нужными для отрицательного преломления электронными свойствами. Работа Веселаго долгие годы существовала лишь в виде математического курьеза. Лишь в 1996 году британский физик Джон Пендри обнаружил, что добиться возникновения нужных свойств в среде можно и без какой-то волшебной химии — достаточно собрать давно известные вещества в строго упорядоченные структуры. И если размер элементов в ней будет меньше, чем длина волны колебаний, то получившийся материал сможет приобрести «магические» свойства. Эти структуры получили название метаматериалов. Фундаментальные принципы конструирования метаматериалов одинаковы для любого излучения — будь то электромагнитное или акустическое. И если в первом случае длина волны — это проблема, то в случае сейсмических волн — решение. Период сейсмических колебаний может достигать десятков и даже сотен метров, а значит, сейсмические «плащи-невидимки» можно создавать уже сегодня.
Дыры в земле
Как ни странно, самой простой защитой от землетрясений являются обычные ямы в грунте. Их может сделать любая бурильная техника, единственное требование — скважины должны быть расположены в строгом соответствии с узлами заранее просчитанной двумерной решетки. В соответствии с идеями Веселаго, на такой «кристаллической решетке» из ям в колебаниях возникает запрещенная зона, то есть некоторые частоты просто перестают двигаться в такой среде. Если размер и расположение скважин подобраны правильно, то землетрясение не будет иметь таких разрушающих последствий.
Работоспособность такой системы была испытана в реальном эксперименте. В 2012 году французские ученые неподалеку от Лиона испытали подобную сейсмозащиту, которая состояла из 24 скважин глубиной 5 м и диаметром 32 см. В качестве «землетрясителя» выступал промышленный вибратор, работающий с частотой 50 Гц. Показания вибродатчиков убедительно показали, что за акустической решеткой возникает защищенная область, где энергия колебаний существенно ниже.
Система скважин, имитирующая плоскую линзу Веселаго — Пендри. Ослабляет сейсмическое воздействие на здание за счет создания запрещенной зоны в спектре акустических колебаний. Положение и ширина зап
Конечно, 50 Гц для сейсмических колебаний слишком много. Основная часть энергии находится в гораздо более длинноволновой области, около 0,1−10 Гц. Несколько лет назад эксперимент удалось довести до верхней границы этого диапазона. Понадобились ямы существенно большего диаметра (около 2 м), расположенные в более крупной решетке (7 м). Однако эксперимент показал, что ничего принципиально невозможного в такой сейсмозащите нет, она работает эффективно как для высоких, так и для низких частот.
Буквально несколько месяцев назад ученые из Франции и Великобритании установили, что запрещенную зону колебаний можно опустить фактически до нуля, то есть создать такую систему, где самые опасные длинноволновые колебания гасились бы наиболее эффективно. Для этого, правда, потребуется не просто пробурить многометровые скважины, но и поместить туда бетонные колонны, закрепленные у основания в твердую породу, зато это позволит свести разрушающее действие землетрясения на нет, а не просто сгладит его последствия.
Главная проблема с «ямочным» подходом заключается в том, что среда, в которой распространяются волны, всегда неоднородна. Почва не желе, поэтому просчитать ее влияние на скорость волн сложно. При проектировании сейсмозащиты нужно учитывать это обстоятельство и рассчитывать структуру «плаща-невидимки» индивидуально для каждого случая.
Эффект бабочки
Львиная доля ущерба, который наносят землетрясения, объясняется действием поверхностных волн, но глубинные колебания также играют свою роль. И поскольку описанный выше подход способен повлиять лишь на поверхностные волны, ученые продолжают искать более универсальные методы сейсмозащиты. Одно из самых оригинальных устройств — погруженные в почву резонаторы массы. Речь идет о том, чтобы закопать под защищаемый объект (например, атомную станцию) сотни тяжелых грузов, соединенных друг с другом пружинами. Одиночный элемент такой системы выступает в роли механического маятника, а вся система становится сейсмическим метаматериалом, способным блокировать прохождение колебаний определенной частоты.
Конкретная реализация такого фантастического «плаща» может быть разной. В одной работе, например, ученые предлагают использовать в роли маятников стальные шары диаметром 75 см, в другой — цилиндрические конструкции из бетона, резины и стали. Но даже такая масштабная система не лишена недостатков. Дело в том, что степень защиты, которую она дает, зависит от точности подбора резонансной частоты, и чем эта точность выше, тем уже полоса частот, на которые она действует. Так что полностью защитить здание от землетрясения таким способом, увы, не получится.
Утопленные резонаторы массы настроены на определенную частоту сейсмических колебаний и во время прохождения волны колеблются в противофазе, принимая на себя удар землетрясения. Могут выполняться в виде вертикальных конструкций или утопленных в породу больших железных шаров (75 см в диаметре, расположены с периодом в 1 м).
Другой подход, который имеет несколько иную физическую природу, основан на использовании ауксетиков. Это материалы, которые обладают очень необычным свойством — при растяжении вдоль одной оси они также расширяются и в перпендикулярном направлении. В природе такие материалы встречаются очень редко, но их можно создать, используя, например, стальные конструкции-бабочки. Расчеты показывают, что система закопанных под фундамент стальных «бабочек», выполненных из метрового профиля и имеющих размах около 10 м, позволяет в разы снизить действие сейсмических волн на здание. Причем в отличие от системы резонаторов массы действует такая защита на колебания самой разной частоты, вплоть до самых длинноволновых.
Темный лес
Все эти проекты кажутся пока гостями из будущего, но, оказывается, существует сейсмозащита, которая уже неоднократно была реализована на практике. Так, довольно эффективным антисейсмическим метаматериалом может быть обычная лесопосадка. Ученые из Имперского колледжа Лондона и Университета Марселя недавно показали, что стволы деревьев могут выступать в роли антенн, создающих запрещенную зону для поверхностных колебаний некоторой частоты. Это легко представить, если вспомнить, что поверхностные сейсмические волны (волны Рэлея) представляют собой колебания почвы, происходящие по оси верх-низ. Поэтому деревья, которые тяжелыми, регулярно расположенными стволами давят на почву, влияют на распространение таких волн. Лесопосадка может не только ослаблять движение волн, но и выступать в роли их отражателя. Достаточно расположить деревья так, чтобы их высота плавно изменялась, и проходящая по поверхности волна отразится вглубь земли. Этот подход пока был испытан лишь в паре экспериментов, но сама по себе идея «зеленой» сейсмозащиты кажется исключительно удачной. Даже если землетрясения не случится, жителям защищенного города будет где устраивать прогулки на свежем воздухе.
Система вертикальных резонаторов, сейсмический «мета-лес». Рассчитана на создание запрещенной зоны в поверхностных колебаниях почвы — волнах Рэлея. При равномерном градиенте высоты могут отражать приходящую волну вглубь породы.
