Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktualita z fyziky: Zemětřesení a les jako přírodní metamateriál

Stromy se mohou chovat jako umělé materiálové struktury, které dokáží odrazit seismické vlnění. Tzv. Loveho vlny je podle nového francouzského výzkumu možné odklonit od zemského povrchu, když procházejí lesem, který má specifickou strukturu.

Metamateriály jsou uměle vytvořené kompozitní materiály vykazující nové nebo neobvyklé fyzikální vlastnosti. Skládají se z množství malých rezonátorů, které vedou světlo a jiné druhy elektromagnetického záření tak, jak to v přírodě běžně není možné. I když je dosud známé hlavně jejich využití pro vedení elektromagnetického záření (tzv. plášť neviditelnosti), vědci v minulých letech ukázali, že metamateriály dokáží směrovat i jiné druhy vlnění, včetně seismických vln.

Základní princip „seismického pláště“ demonstrovali už v roce 2012 fyzici z Marseille. V povrchové vrstvě půdy vyvrtali 2D síť pět metrů hlubokých děr a zkoumali, jak ovlivňují akustické vlny pocházející ze zdroje, který se nacházel v blízkosti budovy. Ukázalo se, že pouhé dvě řady vyvrtaných děr dokáží zpět ke zdroji odrazit přibližně polovinu seismické energie.

O několik let později jiná skupina ukázala, že podobné věci umí i sama příroda. Malý borový lesík v jejich experimentu dokázal odrazit většinu energie v určitém frekvenčním pásmu Rayleighových vln šířících se těsně pod zemským povrchem a generovaných větrem a vibracemi z blízké dálnice.

Nejnovější výzkum v tomto směru teď podnikli fyzici z Paříže a ze Saclay a přišli na to, že lesy by mohly být schopny stínit část seismického vlnění zvaného Loveho vlny. Ty se stejně jako Rayleighovy vlny šíří těsně pod povrchem. Jsou generovány, když se seismické vlny šíří od epicentra zemětřesení a dosáhnou zemského povrchu. Zatímco však Rayleighovy vlny způsobují horizontální i vertikální pohyby, Loveho vlny, které mohou těžce poškodit základy budov, mají za následek čistě horizontální otřesy ze strany na stranu.

Vědci přišli na to, že oba typy vln by mohly způsobit vibrace v kmenech stromů. Identifikovali přitom nový druh vlnění, kterému říkají „spoof (falešné) Loveho vlny“. Ty jsou generovány, když se seismická vlna šíří podél zalesněného území, jehož vrchní vrstva půdy propouští nižší smykové rychlosti než objem. Takové vlny se z matematického hlediska podobají elektromagnetickým vlnám známým jako „spoof plasmon“, které se mohou šířit podél kovového povrchu opatřeného kovovými sloupky. Zemský povrch hraje roli vzduchu nad povrchem, zatímco stromy zastupují roli sloupků.

Fyzici uvažovali, co se stane, když Loveho vlny dosáhnou lesa tvořeného řadami stromů snižující se výšky. Došli k závěru, že výsledné spoof Loveho vlny se budou lesem šířit, dokud nenarazí na stromy té správné výšky. Stromy začnou kmitat a promění se v sekundární zdroj, který rozptyluje většinu vibrační energie směrem dolů do země. Naopak, pokud se stromy postupně zvyšují, seismická energie se bude většinou odrážet zpět, odkud přišla. Vědci zjistili, že na šíření seismických vln může mít vliv dokonce i listí, protože mění efektivní výšku rezonujícího stromu pro danou vlnovou frekvenci.

Nasnadě je otázka, zda bude takový jev možné využít v praxi. Pěti- až desetipodlažní domy rezonují na frekvenci, která není vyšší než 10 Hz. Na těchto frekvencích mohou s Loveho vlnami rezonovat pouze stromy vysoké 10 až 15 metrů. Pokud by však stromy měly chránit budovy před Rayleighovými vlnami, musely by být vysoké 50 až 75 metrů. Podle vědců by tedy les mohl sloužit jako ochrana před horizontálními výkyvy způsobenými Loveho vlnami, zatímco před vertikálními pohyby budou muset budovy i nadále chránit konvenční technologie.

Trio francouzský fyziků se chystá svou myšlenku podpořit dalšími experimenty. V plánu má také laboratorní testy s ultrazvukovými vlnami a piezoelektrickými „stromy“ o výšce řádu mikrometrů.

Původní materiál je uveřejněn na arXiv serveru arXiv.org.


Mohlo by vás zajímat:

Vodní plášť ruší turbulence
Casimirova síla uvnitř mikrosvěta
TOP 10 fyziky roku 2017
Jak zvážit buňku

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop