taratura di un sismografo a pendolo · 2014-02-25 · cos'è un sismografo 4 ... come è fatto...

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Taratura di un sismografo a pendolo Pierre Negrini 4B Lavoro di maturità di fisica: le onde Professore responsabile: Stefano Sposetti 2011 2012 Liceo Cantonale Bellinzona

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Taratura di un sismografo a pendolo

Pierre Negrini minus 4B

Lavoro di maturitagrave di fisica le onde

Professore responsabile Stefano Sposetti

2011 minus 2012

Liceo Cantonale minus Bellinzona

Indice

Obiettivi del mio lavoro di maturitagrave 3Percheacute ho scelto questo tema 3Il sismografo 4Cosegrave un sismografo13 4La storia del sismografo13 4Luso dei sismografi oggi13 4Limportanza della precisione degli strumenti13 5Come egrave fatto un sismografo a pendolo13 5Cosa oscilla e cosa non oscilla13 6La struttura di sostegno13 7La vite di livellamento13 7La vite di aggiustamento del periodo13 8La piastra di smorzamento13 8La bobina ed il magnete di rilevamento13 8La scatola elettronica13 9I dischi di ottone13 9Le aste di sostegno13 9La messa in servizio del sismografo 11Scelta del luogo dove installare il sismografo1311Messa a livello13 11Spostare gli oggetti accanto al sismografo13 11Riparare il sismografo dalle influenze indesiderate13 11Metodi di taratura del sismografo 13Utilizzo di un sensore ad ultrasuoni13 13Utilizzo di un interferometro di Michelson13 14Scelta del metodo da utilizzare13 15Linterferenza elettromagnetica 16La luce13 16

Interferenza fra due onde13 16La raccolta dei dati 18Preparazione delle apparecchiature13 18Sovrapporre correttamente i fasci di luce13 19La registrazione dei dati13 20Lanalisi dei dati 21I calcoli da effettuare13 21Primo esempio13 22Secondo esempio13 24Lanalisi di ulteriori dati13 26Lincertezza nel calcolo della velocitagrave13 26Discussione dei risultati ottenuti 27Prima parte (dati raccolti con gain 100x)13 27Il calcolo dellerrore13 28Problema evidenziato dal grafico 713 29La taratura13 31Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)13 31I limiti di AmaSeisreg13 33I limiti del sensore dintensitagrave luminosa13 33Analisi di alcuni terremoti 34Aquila 6 aprile 2009 13 34Valle di Lodrino 1deg maggio 201013 35Sendai 11 marzo 201113 35Conclusioni 37Ringraziamenti 37Appendice i dati registrati 38Bibliografia 54

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Obiettivi del mio lavoro di maturitagrave

Lobiettivo principale del mio lavoro di maturitagrave egrave quello di tarare il sismografo a pendolo presente nel laboratorio di fisica del liceo di BellinzonaNegli ultimi anni questo sismografo ha registrato vari terremoti alcuni di bassa intensitagrave altri invece molto forti che hanno anche provocato ingenti dannibull il sisma avvenuto il 6 aprile 2009 allAquila in Italia appena pochi giorni dopo linstallazione del

sismografobull il sisma avvenuto il 12 gennaio 2010 ad Haiti le cui onde sono state registrate per una durata

di circa unorabull il piccolo sisma avvenuto il 1deg maggio 2010 nella valle di Lodrinobull il sisma avvenuto il 25 ottobre 2010 a Sumatra che ha provocato uno tsunamibull il sisma avvenuto l11 marzo 2011 al largo delle coste giapponesi che ha provocato uno

tsunami il quale ha devastato le coste nipponiche causando gravi danni anche alla centrale nucleare di Fukushima Le prime onde causate da questo sisma sono state registrate a Bellinzona appena 13 minuti dopo il sisma

Il sismografo registra unintensitagrave di movimento del terreno in unitagrave arbitrarie Queste unitagrave sono proporzionali alla velocitagrave di movimento del terrenoLa taratura dello strumento consiste nellassociare un valore corretto di velocitagrave alla scala verticale del tracciato sismografico

Un altro obiettivo del mio lavoro egrave riuscire a gestire unesperienza pratica utilizzando delle strumentazioni che non mi sono familiari fronteggiando al momento opportuno le eventuali difficoltagrave che si potrebbero presentarePur avendo scelto di cimentarmi in unesperienza pratica ci saranno dei momenti in cui dovrograve elaborare i dati raccolti dagli strumenti Avrograve cosigrave lopportunitagrave di confrontarmi anche con dei problemi di carattere analitico e teorico

Il sismografo del nostro liceo che utilizzerograve per effettuare le esperienze pratiche egrave stato ideato dalla British Geological Survey e dalla Middlesex University due istituti londinesi Egrave stato donato alla nostra scuola nel marzo 2009 dal Servizio sismologico svizzero (SED) del politecnico federale di Zurigo

Percheacute ho scelto questo tema

Ho scelto questo tema principalmente percheacute trovo molto interessante il funzionamento dei sismografi egrave affascinante poter rilevare i piccolissimi movimenti del terreno che non sono percepibili dalluomo

Le lezioni di laboratorio mi sono sempre piaciute egrave una grande opportunitagrave poter gestire un proprio progetto dallideazione dellesperienza alla sua realizzazione fino allanalisi dei dati raccolti Inoltre ci si rende conto di come la teoria studiata in classe non sia sufficiente per affrontare unesperienza pratica

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Il sismografo

Cosegrave un sismografoUn sismografo egrave unapparecchiatura che ha lo scopo di misurare i movimenti del terrenoEsistono vari tipi di sismografi alcuni misurano la posizione altri la velocitagrave altri laccelerazione con cui il terreno si muove rispetto al sismografo

La storia del sismografoLa prima apparecchiatura utilizzata per rilevare le scosse sismiche che puograve essere considerata un semplice sismografo egrave stata ideata e realizzata dallo scienziato cinese Zhang Heng nel 132 dC (vedi figura 1) Questa apparecchiatura egrave costituita da un pendolo racchiuso in unanfora allesterno della quale vi sono otto draghi che tengono in bocca una boccia ognuno Quando un sisma scuote il terreno su cui poggia il sismografo viene messo in moto un meccanismo di leve che fa cadere una o piugrave bocce dai supporti e le fa finire nel rispettivo recipiente a forma di rana Conoscendo il recipiente in cui sono cadute le bocce egrave possibile determinare la direzione delle onde sismiche Questo primitivo sismografo non egrave perograve in grado di misurare lintensitagrave o la durata del sisma

In seguito sono stati ideati altri sistemi sempre piugrave precisi per misurare i sismiCon lavvento dei computer egrave stato possibile non soltanto avere una rappresentazione grafica in tempo reale del movimento del terreno ma anche di filtrare i dati raccolti eliminando i disturbi causati dal traffico o dal vento che muove gli edifici (questi movimenti vengono chiamati rumori di fondo)I piugrave moderni sismografi che possono anche far parte di stazioni sismografiche possono registrare il movimento del terreno in tutte le tre dimensioni

Luso dei sismografi oggiAvendo a disposizione una rete abbastanza vasta di sismografi egrave possibile monitorare in tempo reale i movimenti delle placche tettonicheIn paesi ad alto rischio sismico grazie alle elaborazioni elettroniche dei dati raccolti egrave possibile avvisare per tempo la popolazione dellarrivo imminente delle onde sismiche provocate da

Figura 1 Semplice sismografo ideato nel 132 dC da Zhang Heng

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terremoti avvenuti ad esempio in mare aperto evacuare le zone costiere e bloccare automaticamente mettendoli in sicurezza gli impianti industriali che possono venire danneggiati se colpiti da onde sismiche o da tsunami evitando cosigrave gravi danni o incidenti

Limportanza della precisione degli strumentiIn qualunque ambito venga utilizzato un sismografo egrave molto importante che questo strumento sia preparato adeguatamente per permettere la raccolta di dati corretti piccoli errori nella messa in servizio o nella taratura del sismografo si possono tradurre in misurazioni imprecise o che non rispecchiano affatto lentitagrave del fenomeno registratoGiagrave durante la calibratura del sismografo vale a dire la messa a livello dellapparecchiatura la regolazione del periodo di oscillazione e il posizionamento del magnete di smorzamento egrave possibile accorgersi di quanto esso sia sensibile alle vibrazioni del terreno o agli spostamenti daria

Come egrave fatto un sismografo a pendoloCome si puograve vedere nelle figure 2 e 3 un sismografo a pendolo egrave composto da varie componenti

Figura 2 Componenti del sismografo a pendolo 1 struttura di sostegno 2 vite di livellamento 3piastra di smorzamento 4bobina di rilevamento 5 vite di regolazione del periodo 6dischi di ottone 7magnete di rilevamento 8magnete di smorzamento 9 aste di sostegno

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Cosa oscilla e cosa non oscillaLe componenti di un sismografo a pendolo possono essere raggruppate in due categoriebull la struttura di sostegno le viti di regolazione il magnete di smorzamento e la bobina di

rilevamento (evidenziati in viola nella figura 4) sono solidali al terreno perciograve in condizioni normali non si muovono (escludendo il rumore di fondo)

bull le aste di sostegno la piastra di smorzamento il magnete di rilevamento e i dischi di ottone (evidenziati in blu nella figura 4) non sono solidali al terreno ma oscillano in modo indipendente questo significa che quando il terreno si muove essi tendono grazie alla loro inerzia a rimanere fermi sono perograve in moto relativo rispetto al terreno e al resto del sismografo

Figura 3 Dettaglio del sismografo sono messe in evidenza le parti centrali del sismografo

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La struttura di sostegnoLa struttura di sostegno egrave divisa in due partibull la parete verticale (alta 042 m) su cui si appoggiano le due aste che reggono le masse il

magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentobull la tavola orizzontale (lunga 070 m) su cui egrave fissata la bobina di rilevamento ed egrave appoggiato il

magnete di smorzamento

La vite di livellamentoLa vite di livellamento serve a regolare linclinazione laterale della struttura di sostegno in modo che il pendolo quando il sismografo egrave in stato di quiete (cioegrave quando sente solo i rumori di fondo) sia parallelo alla tavola orizzontale (vedi figura 5)

Figura 4 Le componenti colorate in blu oscillano in modo indipendente le componenti evidenziate in viola invece sono solidali al terreno

Figura 5 In queste immagini sono rappresentati (in maniera semplificata) due sismografi in stato di quiete visti dallalto Limmagine di sinistra mostra un sismografo a livello mentre limmagine di destra mostra un sismografo che pende a sinistra

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La vite di aggiustamento del periodoLa vite di aggiustamento del periodo serve per regolare il tempo impiegato dal pendolo per compiere unoscillazione completaPer spiegare cosa egrave unoscillazione completa prendo come esempio un orologio a pendolo il cui pendolo oscilla sempre in modo regolare e ripetitivoIniziamo ad osservare il pendolo quando esso si trova allestrema destra della sua oscillazione in questo punto esso staragrave fermo per un brevissimo istante prima di iniziare loscillazione mettendosi in moto verso sinistra Esso si muoveragrave fino allestremo sinistro della sua traiettoria si fermeragrave nuovamente per un istante e infine torneragrave nel punto estremo destro da cui egrave partito Il pendolo ha cosigrave compiuto unoscillazione completa il tempo impiegato per compiere questo percorso egrave detto periodo o piugrave precisamente periodo delloscillazione Lo stesso accade anche per il pendolo del sismografo

La piastra di smorzamentoLa piastra di smorzamento ha lo scopo di smorzare il moto del pendolo affincheacute dopo unoscillazione provocata da un movimento del terreno esso torni in breve tempo a compiere piccole oscillazioniUtilizzando il sismografo senza la piastra di smorzamento un minimo movimento del terreno provoca unampia oscillazione del pendolo che tende ad arrestarsi solo molto lentamente Questo fenomeno falsa i dati raccolti sembra infatti che il terreno si muova per svariati minuti ma in realtagrave egrave il pendolo che tende ad arrestare la propria oscillazione (vedi figura 6)

La bobina ed il magnete di rilevamentoQuando allinterno di un campo magnetico si muove un metallo al suo interno viene indotta una tensione elettricaQuesto fenomeno fisico viene sfruttato per misurare la velocitagrave di oscillazione del pendolo quando esso si muove (e con esso anche il magnete di rilevamento) la bobina si trova ad essere in moto relativo rispetto al magnete perciograve al suo interno viene indotta una tensione elettricaLa bobina di rilevamento egrave collegata ad una scatola elettronica1 che digitalizza il segnale analogico Questo segnale potragrave poi essere elaborato dal computer

Figura 6 Da questo grafico sembra che il terreno compia svariate oscillazioni

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113scatola elettronica definita in questo modo (electronics box) dai produttori del sismografo

Maggiore egrave la velocitagrave con cui si muove il terreno maggiore saragrave la velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete e di conseguenza anche la tensione generata avragrave un valore piugrave altoIl computer mostra sotto forma di grafico il valore della tensione rilevata che egrave o meglio si presume essere proporzionale alla velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete

La scatola elettronicaLa tensione in uscita dalla bobina di rilevamento egrave molto debole per questo motivo egrave necessario che il segnale analogico venga amplificato e digitalizzato dalla scatola elettronica la quale egrave collegata ad un alimentatore da 12 VEgrave possibile scegliere il fattore per cui il segnale debba essere amplificato utilizzando i due piccoli interruttori presenti sulla scatola elettronica (vedi figura 7 e tabella 1)

interruttore 1 interruttore 2 gainon on 100xoff on 200xoff off 500x

I dischi di ottoneAllestremitagrave dellasta di sostegno orizzontale sono posizionati due grossi dischi di ottone entrambi di massa 0973 kgLa funzione delle masse egrave quella di conferire inerzia al pendolo se non ci fossero i dischi (o se questi avessero una massa troppo piccola) il pendolo non oscillerebbe in modo regolare ma verrebbe influenzato enormemente anche da piccoli input esterni

Le aste di sostegnoLe due aste di sostegno (orizzontale e trasversale) sorreggono i dischi il magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentoEsse si appoggiano alla struttura di sostegno in soli due punti (vedi figura 8) le aste non sono quindi fissate in nessun modo alla struttura di sostegno ma vi appoggiano unicamente grazie al loro pesoIl primo vantaggio egrave che appoggiando in due punti lattrito viene minimizzato

Figura 7 Questa immagine raffigura un lato della scatola elettronica si vede chiaramente il connettore per lingresso del segnale analogico e i due interruttori per la regolazione del fattore di amplificazione del segnale chiamato gain (impostato su 200x)

Tabella 1 La tabella indica il fattore per cui viene amplificato il segnale analogico in base alla posizione degli interruttori

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Un altro vantaggio sta nel fatto che il pendolo si muove molto lentamente il periodo delloscillazione egrave cosigrave molto lungo (nel caso specifico puograve arrivare fino a 16 s)

Figura 8 In queste due immagini si puograve vedere il punto di contatto fra la parete verticale e lasta trasversale (a sinistra) e il punto di contatto fra la parete verticale e lasta orizzontale (a destra)

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La messa in servizio del sismografo

Prima di iniziare a tarare o ad utilizzare un sismografo egrave necessario che esso sia perfettamente calibrato Con calibrato intendo dire che esso deve essere perfettamente a livello che il periodo di oscillazione del pendolo non sia neacute troppo corto neacute troppo lungo e che il magnete di smorzamento faccia il suo dovere senza smorzare eccessivamente loscillazione del pendoloEgrave molto importante che il sismografo non venga toccato durante la calibrazione la taratura e il periodo di utilizzo Inoltre esso va protetto dalle correnti daria infatti anche piccoli stimoli come laria mossa da una persona che cammina a qualche decina di centimetri di distanza possono influenzare la normale oscillazione del pendolo con il risultato di far registrare dei dati errati

Scelta del luogo dove installare il sismografoPer poter raccogliere dei dati corretti egrave importante scegliere con attenzione il luogo dove installare il sismografo Esso va posizionato su una superficie solida e stabile come ho avuto modo di notare durante la mia esperienza va assolutamente evitato di installare il sismografo su tavoli o supporti rialzatiPer prima cosa bisogna scegliere un edificio il piugrave lontano possibile da aeroporti ferrovie autostrade e cosigrave via In seguito bisogna trovare un locale tranquillo non accessibile a troppe persone possibilmente va scelto un locale interrato ed il piugrave vicino possibile alle fondamenta delledificio in questo modo si rilevano meno oscillazioni provocate dal vento dal traffico e da altre influenze artificiali indesiderateInoltre il pavimento di un locale vicino alle fondamenta egrave a diretto contatto con il terreno sottostante ledificio ed il sismografo puograve rilevare le vibrazioni del terreno in modo piugrave diretto

Messa a livelloUna volta scelto il luogo dove installare il sismografo esso va messo a livello per fare questo si utilizza la vite di livellamentoIl sismografo egrave a livello nel momento in cui il pendolo nella posizione di equilibrio (cioegrave quando si trova a metagrave delloscillazione) egrave parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno (vedi figura 5)Quando il sismografo sembra essere a livello egrave bene aspettare alcuni minuti affincheacute il pendolo regolarizzi il suo moto dopodicheacute egrave necessario verificare nuovamente che il pendolo nella posizione di equilibrio sia parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno per ottenere un buon risultato egrave necessario ripetere questa operazione piugrave volte

Spostare gli oggetti accanto al sismografoEgrave bene ricordarsi di spostare gli oggetti che si trovano accanto al sismografo e che potrebbero ostacolarne loscillazione ed impedirne il corretto funzionamentoIn modo particolare egrave necessario assicurarsi che i fili collegati alla bobina di rilevamento corrano lontani dalle parti in movimento essi si trovano infatti a pochi centimetri di distanza dai dischi ed egrave facile che li sfiorino alterando non di poco i dati raccolti

Riparare il sismografo dalle influenze indesiderateDopo aver preparato il sismografo egrave necessario che esso venga protetto da tutto ciograve che puograve influenzarne il corretto funzionamento come ad esempio correnti daria o spifferi per quanto deboli e ininfluenti possano sembrarePer fare questo egrave sufficiente coprire il sismografo con una scatola o avvicinargli degli oggetti che lo proteggano dai movimenti daria

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Inoltre soprattutto lavorando in una scuola frequentata da molti studenti egrave bene ostacolare laccesso alle apparecchiature utilizzate in modo tale che nessuno possa toccare o spostare gli strumenti nei momenti in cui essi non sono sorvegliatiDurante lesecuzione della mia esperienza non ho potuto coprire il sismografo percheacute attorno ad esso vi sono svariate apparecchiature ed il tutto egrave stato installato in un piccolo locale Inoltre durante la raccolta dei dati egrave spesso necessario avvicinarsi al sismografo per dare degli input e correggere delle regolazioni se il sismografo fosse coperto da una scatola sarebbe necessario toglierla e rimetterla in continuazione provocando un notevole spostamento daria vanificando quindi lutilitagrave di questa protezioneCiononostante tutti i dati sono stati raccolti nella maggior tranquillitagrave possibile nel locale dove ho eseguito lesperienza non vi erano correnti daria e ogni movimento che ho fatto egrave stato curato per non destabilizzare il sismografoPrima di iniziare la registrazione dei dati utilizzati per effettuare le analisi sono sempre stato fermo alcuni minuti per assicurarmi che il sismografo non fosse influenzato dai miei movimenti precedenti

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Metodi di taratura del sismografo

Tarare un sismografo significa mettere in relazione lo spostamento del terreno con la tensione in uscita dalla bobina di rilevamentoIl sismografo che ho utilizzato per questesperienza misura la velocitagrave con cui si muove il terreno perciograve dovrograve misurare questa velocitagrave e la tensione generata dalla bobina di rilevamento in seguito dovrograve mettere in relazione i due valoriLa bobina di rilevamento tramite la scatola elettronica egrave collegata al computer in cui egrave installato il software IRIS AmaSeisreg che si occupa di registrare ed elaborare i dati rilevati con una frequenza di 20 HzQuesto software mostra il grafico al passare del tempo della tensione generatasi nella bobina senza perograve indicare lunitagrave di misura di questi valori ed egrave per questo che il sismografo necessita di essere taratoI dati registrati da AmaSeisreg vanno convertiti utilizzando il software SeisGram2Kreg in formato testo In seguito vanno espressi sotto forma di grafico utilizzando ad esempio lapplicazione Numbersreg per poi essere analizzatiNon avendo lunitagrave di misura dei valori rilevati dalla scatola elettronica considererograve per ora lunitagrave di misura arbitraria ADU (analog-to-ditigal unit ovvero unitagrave analogica digitalizzata)Misurare la velocitagrave di spostamento del pendolo del sismografo egrave piugrave complesso vi sono infatti vari metodi per effettuare queste misurazioni Durante questo lavoro di maturitagrave ne ho presi in considerazione due utilizzare un sensore ad ultrasuoni ed un interferometro di Michelson

Utilizzo di un sensore ad ultrasuoniAllinizio del mio lavoro ho utilizzato un sensore ad ultrasuoni per misurare lo spostamento del pendolo del sismografo esso egrave molto facile da utilizzare in quanto egrave sufficiente collegarlo al computer tramite linterfaccia Pasco Workshopreg il software Pasco DataStudioreg si occupa di misurare la distanza fra il sensore ad ultrasuoni e loggetto ad esso piugrave vicino e tracciare il grafico dei rilevamentiAvendo questi dati sotto forma grafica egrave sufficiente trovare la pendenza della tangente al grafico in ogni punto per conoscere in ogni momento la velocitagrave istantanea con cui si sposta il pendoloIl problema di questo tipo di sensore egrave che ha una bassa sensibilitagrave la frequenza delle misurazioni puograve essere aumentata al massimo fino a 120 Hz che risultano essere insufficienti per misurare le piccolissime oscillazioni del pendolo di un sismografoIl funzionamento di un sensore ad ultrasuoni egrave molto semplice (si faccia riferimento alla figura 9) vi egrave un emettitore di ultrasuoni2 (il poligono rosso) puntato sulloggetto da analizzare (la circonferenza verde)Londa sonora prodotta dal sensore (gli archi di circonferenza viola) si propaga nellaria per un tempo t1 fincheacute non incontra un ostacolo che la riflette A questo punto ripercorre il tragitto in senso inverso fino a tornare al sensore (in blu) impiegando un tempo t2 = t1Il sensore registra il tempo ttot = t1 + t2 pari al tempo impiegato dallonda sonora per percorrere il tragitto sensore-oggetto-sensoreSiccome la velocitagrave di propagazione del suono vs nellaria egrave un valore conosciuto (~343 ms a seconda delle condizioni meteorologiche) egrave possibile determinare la distanza d delloggetto dal sensore ad ultrasuoni

d = ttot2vs

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213gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza non percepibili dalluomo sono oltre il suono udibile

Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

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Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

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Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

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La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

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La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

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Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

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La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Indice

Obiettivi del mio lavoro di maturitagrave 3Percheacute ho scelto questo tema 3Il sismografo 4Cosegrave un sismografo13 4La storia del sismografo13 4Luso dei sismografi oggi13 4Limportanza della precisione degli strumenti13 5Come egrave fatto un sismografo a pendolo13 5Cosa oscilla e cosa non oscilla13 6La struttura di sostegno13 7La vite di livellamento13 7La vite di aggiustamento del periodo13 8La piastra di smorzamento13 8La bobina ed il magnete di rilevamento13 8La scatola elettronica13 9I dischi di ottone13 9Le aste di sostegno13 9La messa in servizio del sismografo 11Scelta del luogo dove installare il sismografo1311Messa a livello13 11Spostare gli oggetti accanto al sismografo13 11Riparare il sismografo dalle influenze indesiderate13 11Metodi di taratura del sismografo 13Utilizzo di un sensore ad ultrasuoni13 13Utilizzo di un interferometro di Michelson13 14Scelta del metodo da utilizzare13 15Linterferenza elettromagnetica 16La luce13 16

Interferenza fra due onde13 16La raccolta dei dati 18Preparazione delle apparecchiature13 18Sovrapporre correttamente i fasci di luce13 19La registrazione dei dati13 20Lanalisi dei dati 21I calcoli da effettuare13 21Primo esempio13 22Secondo esempio13 24Lanalisi di ulteriori dati13 26Lincertezza nel calcolo della velocitagrave13 26Discussione dei risultati ottenuti 27Prima parte (dati raccolti con gain 100x)13 27Il calcolo dellerrore13 28Problema evidenziato dal grafico 713 29La taratura13 31Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)13 31I limiti di AmaSeisreg13 33I limiti del sensore dintensitagrave luminosa13 33Analisi di alcuni terremoti 34Aquila 6 aprile 2009 13 34Valle di Lodrino 1deg maggio 201013 35Sendai 11 marzo 201113 35Conclusioni 37Ringraziamenti 37Appendice i dati registrati 38Bibliografia 54

13 2

Obiettivi del mio lavoro di maturitagrave

Lobiettivo principale del mio lavoro di maturitagrave egrave quello di tarare il sismografo a pendolo presente nel laboratorio di fisica del liceo di BellinzonaNegli ultimi anni questo sismografo ha registrato vari terremoti alcuni di bassa intensitagrave altri invece molto forti che hanno anche provocato ingenti dannibull il sisma avvenuto il 6 aprile 2009 allAquila in Italia appena pochi giorni dopo linstallazione del

sismografobull il sisma avvenuto il 12 gennaio 2010 ad Haiti le cui onde sono state registrate per una durata

di circa unorabull il piccolo sisma avvenuto il 1deg maggio 2010 nella valle di Lodrinobull il sisma avvenuto il 25 ottobre 2010 a Sumatra che ha provocato uno tsunamibull il sisma avvenuto l11 marzo 2011 al largo delle coste giapponesi che ha provocato uno

tsunami il quale ha devastato le coste nipponiche causando gravi danni anche alla centrale nucleare di Fukushima Le prime onde causate da questo sisma sono state registrate a Bellinzona appena 13 minuti dopo il sisma

Il sismografo registra unintensitagrave di movimento del terreno in unitagrave arbitrarie Queste unitagrave sono proporzionali alla velocitagrave di movimento del terrenoLa taratura dello strumento consiste nellassociare un valore corretto di velocitagrave alla scala verticale del tracciato sismografico

Un altro obiettivo del mio lavoro egrave riuscire a gestire unesperienza pratica utilizzando delle strumentazioni che non mi sono familiari fronteggiando al momento opportuno le eventuali difficoltagrave che si potrebbero presentarePur avendo scelto di cimentarmi in unesperienza pratica ci saranno dei momenti in cui dovrograve elaborare i dati raccolti dagli strumenti Avrograve cosigrave lopportunitagrave di confrontarmi anche con dei problemi di carattere analitico e teorico

Il sismografo del nostro liceo che utilizzerograve per effettuare le esperienze pratiche egrave stato ideato dalla British Geological Survey e dalla Middlesex University due istituti londinesi Egrave stato donato alla nostra scuola nel marzo 2009 dal Servizio sismologico svizzero (SED) del politecnico federale di Zurigo

Percheacute ho scelto questo tema

Ho scelto questo tema principalmente percheacute trovo molto interessante il funzionamento dei sismografi egrave affascinante poter rilevare i piccolissimi movimenti del terreno che non sono percepibili dalluomo

Le lezioni di laboratorio mi sono sempre piaciute egrave una grande opportunitagrave poter gestire un proprio progetto dallideazione dellesperienza alla sua realizzazione fino allanalisi dei dati raccolti Inoltre ci si rende conto di come la teoria studiata in classe non sia sufficiente per affrontare unesperienza pratica

13 3

Il sismografo

Cosegrave un sismografoUn sismografo egrave unapparecchiatura che ha lo scopo di misurare i movimenti del terrenoEsistono vari tipi di sismografi alcuni misurano la posizione altri la velocitagrave altri laccelerazione con cui il terreno si muove rispetto al sismografo

La storia del sismografoLa prima apparecchiatura utilizzata per rilevare le scosse sismiche che puograve essere considerata un semplice sismografo egrave stata ideata e realizzata dallo scienziato cinese Zhang Heng nel 132 dC (vedi figura 1) Questa apparecchiatura egrave costituita da un pendolo racchiuso in unanfora allesterno della quale vi sono otto draghi che tengono in bocca una boccia ognuno Quando un sisma scuote il terreno su cui poggia il sismografo viene messo in moto un meccanismo di leve che fa cadere una o piugrave bocce dai supporti e le fa finire nel rispettivo recipiente a forma di rana Conoscendo il recipiente in cui sono cadute le bocce egrave possibile determinare la direzione delle onde sismiche Questo primitivo sismografo non egrave perograve in grado di misurare lintensitagrave o la durata del sisma

In seguito sono stati ideati altri sistemi sempre piugrave precisi per misurare i sismiCon lavvento dei computer egrave stato possibile non soltanto avere una rappresentazione grafica in tempo reale del movimento del terreno ma anche di filtrare i dati raccolti eliminando i disturbi causati dal traffico o dal vento che muove gli edifici (questi movimenti vengono chiamati rumori di fondo)I piugrave moderni sismografi che possono anche far parte di stazioni sismografiche possono registrare il movimento del terreno in tutte le tre dimensioni

Luso dei sismografi oggiAvendo a disposizione una rete abbastanza vasta di sismografi egrave possibile monitorare in tempo reale i movimenti delle placche tettonicheIn paesi ad alto rischio sismico grazie alle elaborazioni elettroniche dei dati raccolti egrave possibile avvisare per tempo la popolazione dellarrivo imminente delle onde sismiche provocate da

Figura 1 Semplice sismografo ideato nel 132 dC da Zhang Heng

13 4

terremoti avvenuti ad esempio in mare aperto evacuare le zone costiere e bloccare automaticamente mettendoli in sicurezza gli impianti industriali che possono venire danneggiati se colpiti da onde sismiche o da tsunami evitando cosigrave gravi danni o incidenti

Limportanza della precisione degli strumentiIn qualunque ambito venga utilizzato un sismografo egrave molto importante che questo strumento sia preparato adeguatamente per permettere la raccolta di dati corretti piccoli errori nella messa in servizio o nella taratura del sismografo si possono tradurre in misurazioni imprecise o che non rispecchiano affatto lentitagrave del fenomeno registratoGiagrave durante la calibratura del sismografo vale a dire la messa a livello dellapparecchiatura la regolazione del periodo di oscillazione e il posizionamento del magnete di smorzamento egrave possibile accorgersi di quanto esso sia sensibile alle vibrazioni del terreno o agli spostamenti daria

Come egrave fatto un sismografo a pendoloCome si puograve vedere nelle figure 2 e 3 un sismografo a pendolo egrave composto da varie componenti

Figura 2 Componenti del sismografo a pendolo 1 struttura di sostegno 2 vite di livellamento 3piastra di smorzamento 4bobina di rilevamento 5 vite di regolazione del periodo 6dischi di ottone 7magnete di rilevamento 8magnete di smorzamento 9 aste di sostegno

13 5

Cosa oscilla e cosa non oscillaLe componenti di un sismografo a pendolo possono essere raggruppate in due categoriebull la struttura di sostegno le viti di regolazione il magnete di smorzamento e la bobina di

rilevamento (evidenziati in viola nella figura 4) sono solidali al terreno perciograve in condizioni normali non si muovono (escludendo il rumore di fondo)

bull le aste di sostegno la piastra di smorzamento il magnete di rilevamento e i dischi di ottone (evidenziati in blu nella figura 4) non sono solidali al terreno ma oscillano in modo indipendente questo significa che quando il terreno si muove essi tendono grazie alla loro inerzia a rimanere fermi sono perograve in moto relativo rispetto al terreno e al resto del sismografo

Figura 3 Dettaglio del sismografo sono messe in evidenza le parti centrali del sismografo

13 6

La struttura di sostegnoLa struttura di sostegno egrave divisa in due partibull la parete verticale (alta 042 m) su cui si appoggiano le due aste che reggono le masse il

magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentobull la tavola orizzontale (lunga 070 m) su cui egrave fissata la bobina di rilevamento ed egrave appoggiato il

magnete di smorzamento

La vite di livellamentoLa vite di livellamento serve a regolare linclinazione laterale della struttura di sostegno in modo che il pendolo quando il sismografo egrave in stato di quiete (cioegrave quando sente solo i rumori di fondo) sia parallelo alla tavola orizzontale (vedi figura 5)

Figura 4 Le componenti colorate in blu oscillano in modo indipendente le componenti evidenziate in viola invece sono solidali al terreno

Figura 5 In queste immagini sono rappresentati (in maniera semplificata) due sismografi in stato di quiete visti dallalto Limmagine di sinistra mostra un sismografo a livello mentre limmagine di destra mostra un sismografo che pende a sinistra

13 7

La vite di aggiustamento del periodoLa vite di aggiustamento del periodo serve per regolare il tempo impiegato dal pendolo per compiere unoscillazione completaPer spiegare cosa egrave unoscillazione completa prendo come esempio un orologio a pendolo il cui pendolo oscilla sempre in modo regolare e ripetitivoIniziamo ad osservare il pendolo quando esso si trova allestrema destra della sua oscillazione in questo punto esso staragrave fermo per un brevissimo istante prima di iniziare loscillazione mettendosi in moto verso sinistra Esso si muoveragrave fino allestremo sinistro della sua traiettoria si fermeragrave nuovamente per un istante e infine torneragrave nel punto estremo destro da cui egrave partito Il pendolo ha cosigrave compiuto unoscillazione completa il tempo impiegato per compiere questo percorso egrave detto periodo o piugrave precisamente periodo delloscillazione Lo stesso accade anche per il pendolo del sismografo

La piastra di smorzamentoLa piastra di smorzamento ha lo scopo di smorzare il moto del pendolo affincheacute dopo unoscillazione provocata da un movimento del terreno esso torni in breve tempo a compiere piccole oscillazioniUtilizzando il sismografo senza la piastra di smorzamento un minimo movimento del terreno provoca unampia oscillazione del pendolo che tende ad arrestarsi solo molto lentamente Questo fenomeno falsa i dati raccolti sembra infatti che il terreno si muova per svariati minuti ma in realtagrave egrave il pendolo che tende ad arrestare la propria oscillazione (vedi figura 6)

La bobina ed il magnete di rilevamentoQuando allinterno di un campo magnetico si muove un metallo al suo interno viene indotta una tensione elettricaQuesto fenomeno fisico viene sfruttato per misurare la velocitagrave di oscillazione del pendolo quando esso si muove (e con esso anche il magnete di rilevamento) la bobina si trova ad essere in moto relativo rispetto al magnete perciograve al suo interno viene indotta una tensione elettricaLa bobina di rilevamento egrave collegata ad una scatola elettronica1 che digitalizza il segnale analogico Questo segnale potragrave poi essere elaborato dal computer

Figura 6 Da questo grafico sembra che il terreno compia svariate oscillazioni

13 8

113scatola elettronica definita in questo modo (electronics box) dai produttori del sismografo

Maggiore egrave la velocitagrave con cui si muove il terreno maggiore saragrave la velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete e di conseguenza anche la tensione generata avragrave un valore piugrave altoIl computer mostra sotto forma di grafico il valore della tensione rilevata che egrave o meglio si presume essere proporzionale alla velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete

La scatola elettronicaLa tensione in uscita dalla bobina di rilevamento egrave molto debole per questo motivo egrave necessario che il segnale analogico venga amplificato e digitalizzato dalla scatola elettronica la quale egrave collegata ad un alimentatore da 12 VEgrave possibile scegliere il fattore per cui il segnale debba essere amplificato utilizzando i due piccoli interruttori presenti sulla scatola elettronica (vedi figura 7 e tabella 1)

interruttore 1 interruttore 2 gainon on 100xoff on 200xoff off 500x

I dischi di ottoneAllestremitagrave dellasta di sostegno orizzontale sono posizionati due grossi dischi di ottone entrambi di massa 0973 kgLa funzione delle masse egrave quella di conferire inerzia al pendolo se non ci fossero i dischi (o se questi avessero una massa troppo piccola) il pendolo non oscillerebbe in modo regolare ma verrebbe influenzato enormemente anche da piccoli input esterni

Le aste di sostegnoLe due aste di sostegno (orizzontale e trasversale) sorreggono i dischi il magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentoEsse si appoggiano alla struttura di sostegno in soli due punti (vedi figura 8) le aste non sono quindi fissate in nessun modo alla struttura di sostegno ma vi appoggiano unicamente grazie al loro pesoIl primo vantaggio egrave che appoggiando in due punti lattrito viene minimizzato

Figura 7 Questa immagine raffigura un lato della scatola elettronica si vede chiaramente il connettore per lingresso del segnale analogico e i due interruttori per la regolazione del fattore di amplificazione del segnale chiamato gain (impostato su 200x)

Tabella 1 La tabella indica il fattore per cui viene amplificato il segnale analogico in base alla posizione degli interruttori

13 9

Un altro vantaggio sta nel fatto che il pendolo si muove molto lentamente il periodo delloscillazione egrave cosigrave molto lungo (nel caso specifico puograve arrivare fino a 16 s)

Figura 8 In queste due immagini si puograve vedere il punto di contatto fra la parete verticale e lasta trasversale (a sinistra) e il punto di contatto fra la parete verticale e lasta orizzontale (a destra)

13 10

La messa in servizio del sismografo

Prima di iniziare a tarare o ad utilizzare un sismografo egrave necessario che esso sia perfettamente calibrato Con calibrato intendo dire che esso deve essere perfettamente a livello che il periodo di oscillazione del pendolo non sia neacute troppo corto neacute troppo lungo e che il magnete di smorzamento faccia il suo dovere senza smorzare eccessivamente loscillazione del pendoloEgrave molto importante che il sismografo non venga toccato durante la calibrazione la taratura e il periodo di utilizzo Inoltre esso va protetto dalle correnti daria infatti anche piccoli stimoli come laria mossa da una persona che cammina a qualche decina di centimetri di distanza possono influenzare la normale oscillazione del pendolo con il risultato di far registrare dei dati errati

Scelta del luogo dove installare il sismografoPer poter raccogliere dei dati corretti egrave importante scegliere con attenzione il luogo dove installare il sismografo Esso va posizionato su una superficie solida e stabile come ho avuto modo di notare durante la mia esperienza va assolutamente evitato di installare il sismografo su tavoli o supporti rialzatiPer prima cosa bisogna scegliere un edificio il piugrave lontano possibile da aeroporti ferrovie autostrade e cosigrave via In seguito bisogna trovare un locale tranquillo non accessibile a troppe persone possibilmente va scelto un locale interrato ed il piugrave vicino possibile alle fondamenta delledificio in questo modo si rilevano meno oscillazioni provocate dal vento dal traffico e da altre influenze artificiali indesiderateInoltre il pavimento di un locale vicino alle fondamenta egrave a diretto contatto con il terreno sottostante ledificio ed il sismografo puograve rilevare le vibrazioni del terreno in modo piugrave diretto

Messa a livelloUna volta scelto il luogo dove installare il sismografo esso va messo a livello per fare questo si utilizza la vite di livellamentoIl sismografo egrave a livello nel momento in cui il pendolo nella posizione di equilibrio (cioegrave quando si trova a metagrave delloscillazione) egrave parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno (vedi figura 5)Quando il sismografo sembra essere a livello egrave bene aspettare alcuni minuti affincheacute il pendolo regolarizzi il suo moto dopodicheacute egrave necessario verificare nuovamente che il pendolo nella posizione di equilibrio sia parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno per ottenere un buon risultato egrave necessario ripetere questa operazione piugrave volte

Spostare gli oggetti accanto al sismografoEgrave bene ricordarsi di spostare gli oggetti che si trovano accanto al sismografo e che potrebbero ostacolarne loscillazione ed impedirne il corretto funzionamentoIn modo particolare egrave necessario assicurarsi che i fili collegati alla bobina di rilevamento corrano lontani dalle parti in movimento essi si trovano infatti a pochi centimetri di distanza dai dischi ed egrave facile che li sfiorino alterando non di poco i dati raccolti

Riparare il sismografo dalle influenze indesiderateDopo aver preparato il sismografo egrave necessario che esso venga protetto da tutto ciograve che puograve influenzarne il corretto funzionamento come ad esempio correnti daria o spifferi per quanto deboli e ininfluenti possano sembrarePer fare questo egrave sufficiente coprire il sismografo con una scatola o avvicinargli degli oggetti che lo proteggano dai movimenti daria

13 11

Inoltre soprattutto lavorando in una scuola frequentata da molti studenti egrave bene ostacolare laccesso alle apparecchiature utilizzate in modo tale che nessuno possa toccare o spostare gli strumenti nei momenti in cui essi non sono sorvegliatiDurante lesecuzione della mia esperienza non ho potuto coprire il sismografo percheacute attorno ad esso vi sono svariate apparecchiature ed il tutto egrave stato installato in un piccolo locale Inoltre durante la raccolta dei dati egrave spesso necessario avvicinarsi al sismografo per dare degli input e correggere delle regolazioni se il sismografo fosse coperto da una scatola sarebbe necessario toglierla e rimetterla in continuazione provocando un notevole spostamento daria vanificando quindi lutilitagrave di questa protezioneCiononostante tutti i dati sono stati raccolti nella maggior tranquillitagrave possibile nel locale dove ho eseguito lesperienza non vi erano correnti daria e ogni movimento che ho fatto egrave stato curato per non destabilizzare il sismografoPrima di iniziare la registrazione dei dati utilizzati per effettuare le analisi sono sempre stato fermo alcuni minuti per assicurarmi che il sismografo non fosse influenzato dai miei movimenti precedenti

13 12

Metodi di taratura del sismografo

Tarare un sismografo significa mettere in relazione lo spostamento del terreno con la tensione in uscita dalla bobina di rilevamentoIl sismografo che ho utilizzato per questesperienza misura la velocitagrave con cui si muove il terreno perciograve dovrograve misurare questa velocitagrave e la tensione generata dalla bobina di rilevamento in seguito dovrograve mettere in relazione i due valoriLa bobina di rilevamento tramite la scatola elettronica egrave collegata al computer in cui egrave installato il software IRIS AmaSeisreg che si occupa di registrare ed elaborare i dati rilevati con una frequenza di 20 HzQuesto software mostra il grafico al passare del tempo della tensione generatasi nella bobina senza perograve indicare lunitagrave di misura di questi valori ed egrave per questo che il sismografo necessita di essere taratoI dati registrati da AmaSeisreg vanno convertiti utilizzando il software SeisGram2Kreg in formato testo In seguito vanno espressi sotto forma di grafico utilizzando ad esempio lapplicazione Numbersreg per poi essere analizzatiNon avendo lunitagrave di misura dei valori rilevati dalla scatola elettronica considererograve per ora lunitagrave di misura arbitraria ADU (analog-to-ditigal unit ovvero unitagrave analogica digitalizzata)Misurare la velocitagrave di spostamento del pendolo del sismografo egrave piugrave complesso vi sono infatti vari metodi per effettuare queste misurazioni Durante questo lavoro di maturitagrave ne ho presi in considerazione due utilizzare un sensore ad ultrasuoni ed un interferometro di Michelson

Utilizzo di un sensore ad ultrasuoniAllinizio del mio lavoro ho utilizzato un sensore ad ultrasuoni per misurare lo spostamento del pendolo del sismografo esso egrave molto facile da utilizzare in quanto egrave sufficiente collegarlo al computer tramite linterfaccia Pasco Workshopreg il software Pasco DataStudioreg si occupa di misurare la distanza fra il sensore ad ultrasuoni e loggetto ad esso piugrave vicino e tracciare il grafico dei rilevamentiAvendo questi dati sotto forma grafica egrave sufficiente trovare la pendenza della tangente al grafico in ogni punto per conoscere in ogni momento la velocitagrave istantanea con cui si sposta il pendoloIl problema di questo tipo di sensore egrave che ha una bassa sensibilitagrave la frequenza delle misurazioni puograve essere aumentata al massimo fino a 120 Hz che risultano essere insufficienti per misurare le piccolissime oscillazioni del pendolo di un sismografoIl funzionamento di un sensore ad ultrasuoni egrave molto semplice (si faccia riferimento alla figura 9) vi egrave un emettitore di ultrasuoni2 (il poligono rosso) puntato sulloggetto da analizzare (la circonferenza verde)Londa sonora prodotta dal sensore (gli archi di circonferenza viola) si propaga nellaria per un tempo t1 fincheacute non incontra un ostacolo che la riflette A questo punto ripercorre il tragitto in senso inverso fino a tornare al sensore (in blu) impiegando un tempo t2 = t1Il sensore registra il tempo ttot = t1 + t2 pari al tempo impiegato dallonda sonora per percorrere il tragitto sensore-oggetto-sensoreSiccome la velocitagrave di propagazione del suono vs nellaria egrave un valore conosciuto (~343 ms a seconda delle condizioni meteorologiche) egrave possibile determinare la distanza d delloggetto dal sensore ad ultrasuoni

d = ttot2vs

13 13

213gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza non percepibili dalluomo sono oltre il suono udibile

Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

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Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

13 15

Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

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La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

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La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Obiettivi del mio lavoro di maturitagrave

Lobiettivo principale del mio lavoro di maturitagrave egrave quello di tarare il sismografo a pendolo presente nel laboratorio di fisica del liceo di BellinzonaNegli ultimi anni questo sismografo ha registrato vari terremoti alcuni di bassa intensitagrave altri invece molto forti che hanno anche provocato ingenti dannibull il sisma avvenuto il 6 aprile 2009 allAquila in Italia appena pochi giorni dopo linstallazione del

sismografobull il sisma avvenuto il 12 gennaio 2010 ad Haiti le cui onde sono state registrate per una durata

di circa unorabull il piccolo sisma avvenuto il 1deg maggio 2010 nella valle di Lodrinobull il sisma avvenuto il 25 ottobre 2010 a Sumatra che ha provocato uno tsunamibull il sisma avvenuto l11 marzo 2011 al largo delle coste giapponesi che ha provocato uno

tsunami il quale ha devastato le coste nipponiche causando gravi danni anche alla centrale nucleare di Fukushima Le prime onde causate da questo sisma sono state registrate a Bellinzona appena 13 minuti dopo il sisma

Il sismografo registra unintensitagrave di movimento del terreno in unitagrave arbitrarie Queste unitagrave sono proporzionali alla velocitagrave di movimento del terrenoLa taratura dello strumento consiste nellassociare un valore corretto di velocitagrave alla scala verticale del tracciato sismografico

Un altro obiettivo del mio lavoro egrave riuscire a gestire unesperienza pratica utilizzando delle strumentazioni che non mi sono familiari fronteggiando al momento opportuno le eventuali difficoltagrave che si potrebbero presentarePur avendo scelto di cimentarmi in unesperienza pratica ci saranno dei momenti in cui dovrograve elaborare i dati raccolti dagli strumenti Avrograve cosigrave lopportunitagrave di confrontarmi anche con dei problemi di carattere analitico e teorico

Il sismografo del nostro liceo che utilizzerograve per effettuare le esperienze pratiche egrave stato ideato dalla British Geological Survey e dalla Middlesex University due istituti londinesi Egrave stato donato alla nostra scuola nel marzo 2009 dal Servizio sismologico svizzero (SED) del politecnico federale di Zurigo

Percheacute ho scelto questo tema

Ho scelto questo tema principalmente percheacute trovo molto interessante il funzionamento dei sismografi egrave affascinante poter rilevare i piccolissimi movimenti del terreno che non sono percepibili dalluomo

Le lezioni di laboratorio mi sono sempre piaciute egrave una grande opportunitagrave poter gestire un proprio progetto dallideazione dellesperienza alla sua realizzazione fino allanalisi dei dati raccolti Inoltre ci si rende conto di come la teoria studiata in classe non sia sufficiente per affrontare unesperienza pratica

13 3

Il sismografo

Cosegrave un sismografoUn sismografo egrave unapparecchiatura che ha lo scopo di misurare i movimenti del terrenoEsistono vari tipi di sismografi alcuni misurano la posizione altri la velocitagrave altri laccelerazione con cui il terreno si muove rispetto al sismografo

La storia del sismografoLa prima apparecchiatura utilizzata per rilevare le scosse sismiche che puograve essere considerata un semplice sismografo egrave stata ideata e realizzata dallo scienziato cinese Zhang Heng nel 132 dC (vedi figura 1) Questa apparecchiatura egrave costituita da un pendolo racchiuso in unanfora allesterno della quale vi sono otto draghi che tengono in bocca una boccia ognuno Quando un sisma scuote il terreno su cui poggia il sismografo viene messo in moto un meccanismo di leve che fa cadere una o piugrave bocce dai supporti e le fa finire nel rispettivo recipiente a forma di rana Conoscendo il recipiente in cui sono cadute le bocce egrave possibile determinare la direzione delle onde sismiche Questo primitivo sismografo non egrave perograve in grado di misurare lintensitagrave o la durata del sisma

In seguito sono stati ideati altri sistemi sempre piugrave precisi per misurare i sismiCon lavvento dei computer egrave stato possibile non soltanto avere una rappresentazione grafica in tempo reale del movimento del terreno ma anche di filtrare i dati raccolti eliminando i disturbi causati dal traffico o dal vento che muove gli edifici (questi movimenti vengono chiamati rumori di fondo)I piugrave moderni sismografi che possono anche far parte di stazioni sismografiche possono registrare il movimento del terreno in tutte le tre dimensioni

Luso dei sismografi oggiAvendo a disposizione una rete abbastanza vasta di sismografi egrave possibile monitorare in tempo reale i movimenti delle placche tettonicheIn paesi ad alto rischio sismico grazie alle elaborazioni elettroniche dei dati raccolti egrave possibile avvisare per tempo la popolazione dellarrivo imminente delle onde sismiche provocate da

Figura 1 Semplice sismografo ideato nel 132 dC da Zhang Heng

13 4

terremoti avvenuti ad esempio in mare aperto evacuare le zone costiere e bloccare automaticamente mettendoli in sicurezza gli impianti industriali che possono venire danneggiati se colpiti da onde sismiche o da tsunami evitando cosigrave gravi danni o incidenti

Limportanza della precisione degli strumentiIn qualunque ambito venga utilizzato un sismografo egrave molto importante che questo strumento sia preparato adeguatamente per permettere la raccolta di dati corretti piccoli errori nella messa in servizio o nella taratura del sismografo si possono tradurre in misurazioni imprecise o che non rispecchiano affatto lentitagrave del fenomeno registratoGiagrave durante la calibratura del sismografo vale a dire la messa a livello dellapparecchiatura la regolazione del periodo di oscillazione e il posizionamento del magnete di smorzamento egrave possibile accorgersi di quanto esso sia sensibile alle vibrazioni del terreno o agli spostamenti daria

Come egrave fatto un sismografo a pendoloCome si puograve vedere nelle figure 2 e 3 un sismografo a pendolo egrave composto da varie componenti

Figura 2 Componenti del sismografo a pendolo 1 struttura di sostegno 2 vite di livellamento 3piastra di smorzamento 4bobina di rilevamento 5 vite di regolazione del periodo 6dischi di ottone 7magnete di rilevamento 8magnete di smorzamento 9 aste di sostegno

13 5

Cosa oscilla e cosa non oscillaLe componenti di un sismografo a pendolo possono essere raggruppate in due categoriebull la struttura di sostegno le viti di regolazione il magnete di smorzamento e la bobina di

rilevamento (evidenziati in viola nella figura 4) sono solidali al terreno perciograve in condizioni normali non si muovono (escludendo il rumore di fondo)

bull le aste di sostegno la piastra di smorzamento il magnete di rilevamento e i dischi di ottone (evidenziati in blu nella figura 4) non sono solidali al terreno ma oscillano in modo indipendente questo significa che quando il terreno si muove essi tendono grazie alla loro inerzia a rimanere fermi sono perograve in moto relativo rispetto al terreno e al resto del sismografo

Figura 3 Dettaglio del sismografo sono messe in evidenza le parti centrali del sismografo

13 6

La struttura di sostegnoLa struttura di sostegno egrave divisa in due partibull la parete verticale (alta 042 m) su cui si appoggiano le due aste che reggono le masse il

magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentobull la tavola orizzontale (lunga 070 m) su cui egrave fissata la bobina di rilevamento ed egrave appoggiato il

magnete di smorzamento

La vite di livellamentoLa vite di livellamento serve a regolare linclinazione laterale della struttura di sostegno in modo che il pendolo quando il sismografo egrave in stato di quiete (cioegrave quando sente solo i rumori di fondo) sia parallelo alla tavola orizzontale (vedi figura 5)

Figura 4 Le componenti colorate in blu oscillano in modo indipendente le componenti evidenziate in viola invece sono solidali al terreno

Figura 5 In queste immagini sono rappresentati (in maniera semplificata) due sismografi in stato di quiete visti dallalto Limmagine di sinistra mostra un sismografo a livello mentre limmagine di destra mostra un sismografo che pende a sinistra

13 7

La vite di aggiustamento del periodoLa vite di aggiustamento del periodo serve per regolare il tempo impiegato dal pendolo per compiere unoscillazione completaPer spiegare cosa egrave unoscillazione completa prendo come esempio un orologio a pendolo il cui pendolo oscilla sempre in modo regolare e ripetitivoIniziamo ad osservare il pendolo quando esso si trova allestrema destra della sua oscillazione in questo punto esso staragrave fermo per un brevissimo istante prima di iniziare loscillazione mettendosi in moto verso sinistra Esso si muoveragrave fino allestremo sinistro della sua traiettoria si fermeragrave nuovamente per un istante e infine torneragrave nel punto estremo destro da cui egrave partito Il pendolo ha cosigrave compiuto unoscillazione completa il tempo impiegato per compiere questo percorso egrave detto periodo o piugrave precisamente periodo delloscillazione Lo stesso accade anche per il pendolo del sismografo

La piastra di smorzamentoLa piastra di smorzamento ha lo scopo di smorzare il moto del pendolo affincheacute dopo unoscillazione provocata da un movimento del terreno esso torni in breve tempo a compiere piccole oscillazioniUtilizzando il sismografo senza la piastra di smorzamento un minimo movimento del terreno provoca unampia oscillazione del pendolo che tende ad arrestarsi solo molto lentamente Questo fenomeno falsa i dati raccolti sembra infatti che il terreno si muova per svariati minuti ma in realtagrave egrave il pendolo che tende ad arrestare la propria oscillazione (vedi figura 6)

La bobina ed il magnete di rilevamentoQuando allinterno di un campo magnetico si muove un metallo al suo interno viene indotta una tensione elettricaQuesto fenomeno fisico viene sfruttato per misurare la velocitagrave di oscillazione del pendolo quando esso si muove (e con esso anche il magnete di rilevamento) la bobina si trova ad essere in moto relativo rispetto al magnete perciograve al suo interno viene indotta una tensione elettricaLa bobina di rilevamento egrave collegata ad una scatola elettronica1 che digitalizza il segnale analogico Questo segnale potragrave poi essere elaborato dal computer

Figura 6 Da questo grafico sembra che il terreno compia svariate oscillazioni

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113scatola elettronica definita in questo modo (electronics box) dai produttori del sismografo

Maggiore egrave la velocitagrave con cui si muove il terreno maggiore saragrave la velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete e di conseguenza anche la tensione generata avragrave un valore piugrave altoIl computer mostra sotto forma di grafico il valore della tensione rilevata che egrave o meglio si presume essere proporzionale alla velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete

La scatola elettronicaLa tensione in uscita dalla bobina di rilevamento egrave molto debole per questo motivo egrave necessario che il segnale analogico venga amplificato e digitalizzato dalla scatola elettronica la quale egrave collegata ad un alimentatore da 12 VEgrave possibile scegliere il fattore per cui il segnale debba essere amplificato utilizzando i due piccoli interruttori presenti sulla scatola elettronica (vedi figura 7 e tabella 1)

interruttore 1 interruttore 2 gainon on 100xoff on 200xoff off 500x

I dischi di ottoneAllestremitagrave dellasta di sostegno orizzontale sono posizionati due grossi dischi di ottone entrambi di massa 0973 kgLa funzione delle masse egrave quella di conferire inerzia al pendolo se non ci fossero i dischi (o se questi avessero una massa troppo piccola) il pendolo non oscillerebbe in modo regolare ma verrebbe influenzato enormemente anche da piccoli input esterni

Le aste di sostegnoLe due aste di sostegno (orizzontale e trasversale) sorreggono i dischi il magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentoEsse si appoggiano alla struttura di sostegno in soli due punti (vedi figura 8) le aste non sono quindi fissate in nessun modo alla struttura di sostegno ma vi appoggiano unicamente grazie al loro pesoIl primo vantaggio egrave che appoggiando in due punti lattrito viene minimizzato

Figura 7 Questa immagine raffigura un lato della scatola elettronica si vede chiaramente il connettore per lingresso del segnale analogico e i due interruttori per la regolazione del fattore di amplificazione del segnale chiamato gain (impostato su 200x)

Tabella 1 La tabella indica il fattore per cui viene amplificato il segnale analogico in base alla posizione degli interruttori

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Un altro vantaggio sta nel fatto che il pendolo si muove molto lentamente il periodo delloscillazione egrave cosigrave molto lungo (nel caso specifico puograve arrivare fino a 16 s)

Figura 8 In queste due immagini si puograve vedere il punto di contatto fra la parete verticale e lasta trasversale (a sinistra) e il punto di contatto fra la parete verticale e lasta orizzontale (a destra)

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La messa in servizio del sismografo

Prima di iniziare a tarare o ad utilizzare un sismografo egrave necessario che esso sia perfettamente calibrato Con calibrato intendo dire che esso deve essere perfettamente a livello che il periodo di oscillazione del pendolo non sia neacute troppo corto neacute troppo lungo e che il magnete di smorzamento faccia il suo dovere senza smorzare eccessivamente loscillazione del pendoloEgrave molto importante che il sismografo non venga toccato durante la calibrazione la taratura e il periodo di utilizzo Inoltre esso va protetto dalle correnti daria infatti anche piccoli stimoli come laria mossa da una persona che cammina a qualche decina di centimetri di distanza possono influenzare la normale oscillazione del pendolo con il risultato di far registrare dei dati errati

Scelta del luogo dove installare il sismografoPer poter raccogliere dei dati corretti egrave importante scegliere con attenzione il luogo dove installare il sismografo Esso va posizionato su una superficie solida e stabile come ho avuto modo di notare durante la mia esperienza va assolutamente evitato di installare il sismografo su tavoli o supporti rialzatiPer prima cosa bisogna scegliere un edificio il piugrave lontano possibile da aeroporti ferrovie autostrade e cosigrave via In seguito bisogna trovare un locale tranquillo non accessibile a troppe persone possibilmente va scelto un locale interrato ed il piugrave vicino possibile alle fondamenta delledificio in questo modo si rilevano meno oscillazioni provocate dal vento dal traffico e da altre influenze artificiali indesiderateInoltre il pavimento di un locale vicino alle fondamenta egrave a diretto contatto con il terreno sottostante ledificio ed il sismografo puograve rilevare le vibrazioni del terreno in modo piugrave diretto

Messa a livelloUna volta scelto il luogo dove installare il sismografo esso va messo a livello per fare questo si utilizza la vite di livellamentoIl sismografo egrave a livello nel momento in cui il pendolo nella posizione di equilibrio (cioegrave quando si trova a metagrave delloscillazione) egrave parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno (vedi figura 5)Quando il sismografo sembra essere a livello egrave bene aspettare alcuni minuti affincheacute il pendolo regolarizzi il suo moto dopodicheacute egrave necessario verificare nuovamente che il pendolo nella posizione di equilibrio sia parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno per ottenere un buon risultato egrave necessario ripetere questa operazione piugrave volte

Spostare gli oggetti accanto al sismografoEgrave bene ricordarsi di spostare gli oggetti che si trovano accanto al sismografo e che potrebbero ostacolarne loscillazione ed impedirne il corretto funzionamentoIn modo particolare egrave necessario assicurarsi che i fili collegati alla bobina di rilevamento corrano lontani dalle parti in movimento essi si trovano infatti a pochi centimetri di distanza dai dischi ed egrave facile che li sfiorino alterando non di poco i dati raccolti

Riparare il sismografo dalle influenze indesiderateDopo aver preparato il sismografo egrave necessario che esso venga protetto da tutto ciograve che puograve influenzarne il corretto funzionamento come ad esempio correnti daria o spifferi per quanto deboli e ininfluenti possano sembrarePer fare questo egrave sufficiente coprire il sismografo con una scatola o avvicinargli degli oggetti che lo proteggano dai movimenti daria

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Inoltre soprattutto lavorando in una scuola frequentata da molti studenti egrave bene ostacolare laccesso alle apparecchiature utilizzate in modo tale che nessuno possa toccare o spostare gli strumenti nei momenti in cui essi non sono sorvegliatiDurante lesecuzione della mia esperienza non ho potuto coprire il sismografo percheacute attorno ad esso vi sono svariate apparecchiature ed il tutto egrave stato installato in un piccolo locale Inoltre durante la raccolta dei dati egrave spesso necessario avvicinarsi al sismografo per dare degli input e correggere delle regolazioni se il sismografo fosse coperto da una scatola sarebbe necessario toglierla e rimetterla in continuazione provocando un notevole spostamento daria vanificando quindi lutilitagrave di questa protezioneCiononostante tutti i dati sono stati raccolti nella maggior tranquillitagrave possibile nel locale dove ho eseguito lesperienza non vi erano correnti daria e ogni movimento che ho fatto egrave stato curato per non destabilizzare il sismografoPrima di iniziare la registrazione dei dati utilizzati per effettuare le analisi sono sempre stato fermo alcuni minuti per assicurarmi che il sismografo non fosse influenzato dai miei movimenti precedenti

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Metodi di taratura del sismografo

Tarare un sismografo significa mettere in relazione lo spostamento del terreno con la tensione in uscita dalla bobina di rilevamentoIl sismografo che ho utilizzato per questesperienza misura la velocitagrave con cui si muove il terreno perciograve dovrograve misurare questa velocitagrave e la tensione generata dalla bobina di rilevamento in seguito dovrograve mettere in relazione i due valoriLa bobina di rilevamento tramite la scatola elettronica egrave collegata al computer in cui egrave installato il software IRIS AmaSeisreg che si occupa di registrare ed elaborare i dati rilevati con una frequenza di 20 HzQuesto software mostra il grafico al passare del tempo della tensione generatasi nella bobina senza perograve indicare lunitagrave di misura di questi valori ed egrave per questo che il sismografo necessita di essere taratoI dati registrati da AmaSeisreg vanno convertiti utilizzando il software SeisGram2Kreg in formato testo In seguito vanno espressi sotto forma di grafico utilizzando ad esempio lapplicazione Numbersreg per poi essere analizzatiNon avendo lunitagrave di misura dei valori rilevati dalla scatola elettronica considererograve per ora lunitagrave di misura arbitraria ADU (analog-to-ditigal unit ovvero unitagrave analogica digitalizzata)Misurare la velocitagrave di spostamento del pendolo del sismografo egrave piugrave complesso vi sono infatti vari metodi per effettuare queste misurazioni Durante questo lavoro di maturitagrave ne ho presi in considerazione due utilizzare un sensore ad ultrasuoni ed un interferometro di Michelson

Utilizzo di un sensore ad ultrasuoniAllinizio del mio lavoro ho utilizzato un sensore ad ultrasuoni per misurare lo spostamento del pendolo del sismografo esso egrave molto facile da utilizzare in quanto egrave sufficiente collegarlo al computer tramite linterfaccia Pasco Workshopreg il software Pasco DataStudioreg si occupa di misurare la distanza fra il sensore ad ultrasuoni e loggetto ad esso piugrave vicino e tracciare il grafico dei rilevamentiAvendo questi dati sotto forma grafica egrave sufficiente trovare la pendenza della tangente al grafico in ogni punto per conoscere in ogni momento la velocitagrave istantanea con cui si sposta il pendoloIl problema di questo tipo di sensore egrave che ha una bassa sensibilitagrave la frequenza delle misurazioni puograve essere aumentata al massimo fino a 120 Hz che risultano essere insufficienti per misurare le piccolissime oscillazioni del pendolo di un sismografoIl funzionamento di un sensore ad ultrasuoni egrave molto semplice (si faccia riferimento alla figura 9) vi egrave un emettitore di ultrasuoni2 (il poligono rosso) puntato sulloggetto da analizzare (la circonferenza verde)Londa sonora prodotta dal sensore (gli archi di circonferenza viola) si propaga nellaria per un tempo t1 fincheacute non incontra un ostacolo che la riflette A questo punto ripercorre il tragitto in senso inverso fino a tornare al sensore (in blu) impiegando un tempo t2 = t1Il sensore registra il tempo ttot = t1 + t2 pari al tempo impiegato dallonda sonora per percorrere il tragitto sensore-oggetto-sensoreSiccome la velocitagrave di propagazione del suono vs nellaria egrave un valore conosciuto (~343 ms a seconda delle condizioni meteorologiche) egrave possibile determinare la distanza d delloggetto dal sensore ad ultrasuoni

d = ttot2vs

13 13

213gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza non percepibili dalluomo sono oltre il suono udibile

Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

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Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

13 15

Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

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La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

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La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

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313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

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Il sismografo

Cosegrave un sismografoUn sismografo egrave unapparecchiatura che ha lo scopo di misurare i movimenti del terrenoEsistono vari tipi di sismografi alcuni misurano la posizione altri la velocitagrave altri laccelerazione con cui il terreno si muove rispetto al sismografo

La storia del sismografoLa prima apparecchiatura utilizzata per rilevare le scosse sismiche che puograve essere considerata un semplice sismografo egrave stata ideata e realizzata dallo scienziato cinese Zhang Heng nel 132 dC (vedi figura 1) Questa apparecchiatura egrave costituita da un pendolo racchiuso in unanfora allesterno della quale vi sono otto draghi che tengono in bocca una boccia ognuno Quando un sisma scuote il terreno su cui poggia il sismografo viene messo in moto un meccanismo di leve che fa cadere una o piugrave bocce dai supporti e le fa finire nel rispettivo recipiente a forma di rana Conoscendo il recipiente in cui sono cadute le bocce egrave possibile determinare la direzione delle onde sismiche Questo primitivo sismografo non egrave perograve in grado di misurare lintensitagrave o la durata del sisma

In seguito sono stati ideati altri sistemi sempre piugrave precisi per misurare i sismiCon lavvento dei computer egrave stato possibile non soltanto avere una rappresentazione grafica in tempo reale del movimento del terreno ma anche di filtrare i dati raccolti eliminando i disturbi causati dal traffico o dal vento che muove gli edifici (questi movimenti vengono chiamati rumori di fondo)I piugrave moderni sismografi che possono anche far parte di stazioni sismografiche possono registrare il movimento del terreno in tutte le tre dimensioni

Luso dei sismografi oggiAvendo a disposizione una rete abbastanza vasta di sismografi egrave possibile monitorare in tempo reale i movimenti delle placche tettonicheIn paesi ad alto rischio sismico grazie alle elaborazioni elettroniche dei dati raccolti egrave possibile avvisare per tempo la popolazione dellarrivo imminente delle onde sismiche provocate da

Figura 1 Semplice sismografo ideato nel 132 dC da Zhang Heng

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terremoti avvenuti ad esempio in mare aperto evacuare le zone costiere e bloccare automaticamente mettendoli in sicurezza gli impianti industriali che possono venire danneggiati se colpiti da onde sismiche o da tsunami evitando cosigrave gravi danni o incidenti

Limportanza della precisione degli strumentiIn qualunque ambito venga utilizzato un sismografo egrave molto importante che questo strumento sia preparato adeguatamente per permettere la raccolta di dati corretti piccoli errori nella messa in servizio o nella taratura del sismografo si possono tradurre in misurazioni imprecise o che non rispecchiano affatto lentitagrave del fenomeno registratoGiagrave durante la calibratura del sismografo vale a dire la messa a livello dellapparecchiatura la regolazione del periodo di oscillazione e il posizionamento del magnete di smorzamento egrave possibile accorgersi di quanto esso sia sensibile alle vibrazioni del terreno o agli spostamenti daria

Come egrave fatto un sismografo a pendoloCome si puograve vedere nelle figure 2 e 3 un sismografo a pendolo egrave composto da varie componenti

Figura 2 Componenti del sismografo a pendolo 1 struttura di sostegno 2 vite di livellamento 3piastra di smorzamento 4bobina di rilevamento 5 vite di regolazione del periodo 6dischi di ottone 7magnete di rilevamento 8magnete di smorzamento 9 aste di sostegno

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Cosa oscilla e cosa non oscillaLe componenti di un sismografo a pendolo possono essere raggruppate in due categoriebull la struttura di sostegno le viti di regolazione il magnete di smorzamento e la bobina di

rilevamento (evidenziati in viola nella figura 4) sono solidali al terreno perciograve in condizioni normali non si muovono (escludendo il rumore di fondo)

bull le aste di sostegno la piastra di smorzamento il magnete di rilevamento e i dischi di ottone (evidenziati in blu nella figura 4) non sono solidali al terreno ma oscillano in modo indipendente questo significa che quando il terreno si muove essi tendono grazie alla loro inerzia a rimanere fermi sono perograve in moto relativo rispetto al terreno e al resto del sismografo

Figura 3 Dettaglio del sismografo sono messe in evidenza le parti centrali del sismografo

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La struttura di sostegnoLa struttura di sostegno egrave divisa in due partibull la parete verticale (alta 042 m) su cui si appoggiano le due aste che reggono le masse il

magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentobull la tavola orizzontale (lunga 070 m) su cui egrave fissata la bobina di rilevamento ed egrave appoggiato il

magnete di smorzamento

La vite di livellamentoLa vite di livellamento serve a regolare linclinazione laterale della struttura di sostegno in modo che il pendolo quando il sismografo egrave in stato di quiete (cioegrave quando sente solo i rumori di fondo) sia parallelo alla tavola orizzontale (vedi figura 5)

Figura 4 Le componenti colorate in blu oscillano in modo indipendente le componenti evidenziate in viola invece sono solidali al terreno

Figura 5 In queste immagini sono rappresentati (in maniera semplificata) due sismografi in stato di quiete visti dallalto Limmagine di sinistra mostra un sismografo a livello mentre limmagine di destra mostra un sismografo che pende a sinistra

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La vite di aggiustamento del periodoLa vite di aggiustamento del periodo serve per regolare il tempo impiegato dal pendolo per compiere unoscillazione completaPer spiegare cosa egrave unoscillazione completa prendo come esempio un orologio a pendolo il cui pendolo oscilla sempre in modo regolare e ripetitivoIniziamo ad osservare il pendolo quando esso si trova allestrema destra della sua oscillazione in questo punto esso staragrave fermo per un brevissimo istante prima di iniziare loscillazione mettendosi in moto verso sinistra Esso si muoveragrave fino allestremo sinistro della sua traiettoria si fermeragrave nuovamente per un istante e infine torneragrave nel punto estremo destro da cui egrave partito Il pendolo ha cosigrave compiuto unoscillazione completa il tempo impiegato per compiere questo percorso egrave detto periodo o piugrave precisamente periodo delloscillazione Lo stesso accade anche per il pendolo del sismografo

La piastra di smorzamentoLa piastra di smorzamento ha lo scopo di smorzare il moto del pendolo affincheacute dopo unoscillazione provocata da un movimento del terreno esso torni in breve tempo a compiere piccole oscillazioniUtilizzando il sismografo senza la piastra di smorzamento un minimo movimento del terreno provoca unampia oscillazione del pendolo che tende ad arrestarsi solo molto lentamente Questo fenomeno falsa i dati raccolti sembra infatti che il terreno si muova per svariati minuti ma in realtagrave egrave il pendolo che tende ad arrestare la propria oscillazione (vedi figura 6)

La bobina ed il magnete di rilevamentoQuando allinterno di un campo magnetico si muove un metallo al suo interno viene indotta una tensione elettricaQuesto fenomeno fisico viene sfruttato per misurare la velocitagrave di oscillazione del pendolo quando esso si muove (e con esso anche il magnete di rilevamento) la bobina si trova ad essere in moto relativo rispetto al magnete perciograve al suo interno viene indotta una tensione elettricaLa bobina di rilevamento egrave collegata ad una scatola elettronica1 che digitalizza il segnale analogico Questo segnale potragrave poi essere elaborato dal computer

Figura 6 Da questo grafico sembra che il terreno compia svariate oscillazioni

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113scatola elettronica definita in questo modo (electronics box) dai produttori del sismografo

Maggiore egrave la velocitagrave con cui si muove il terreno maggiore saragrave la velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete e di conseguenza anche la tensione generata avragrave un valore piugrave altoIl computer mostra sotto forma di grafico il valore della tensione rilevata che egrave o meglio si presume essere proporzionale alla velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete

La scatola elettronicaLa tensione in uscita dalla bobina di rilevamento egrave molto debole per questo motivo egrave necessario che il segnale analogico venga amplificato e digitalizzato dalla scatola elettronica la quale egrave collegata ad un alimentatore da 12 VEgrave possibile scegliere il fattore per cui il segnale debba essere amplificato utilizzando i due piccoli interruttori presenti sulla scatola elettronica (vedi figura 7 e tabella 1)

interruttore 1 interruttore 2 gainon on 100xoff on 200xoff off 500x

I dischi di ottoneAllestremitagrave dellasta di sostegno orizzontale sono posizionati due grossi dischi di ottone entrambi di massa 0973 kgLa funzione delle masse egrave quella di conferire inerzia al pendolo se non ci fossero i dischi (o se questi avessero una massa troppo piccola) il pendolo non oscillerebbe in modo regolare ma verrebbe influenzato enormemente anche da piccoli input esterni

Le aste di sostegnoLe due aste di sostegno (orizzontale e trasversale) sorreggono i dischi il magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentoEsse si appoggiano alla struttura di sostegno in soli due punti (vedi figura 8) le aste non sono quindi fissate in nessun modo alla struttura di sostegno ma vi appoggiano unicamente grazie al loro pesoIl primo vantaggio egrave che appoggiando in due punti lattrito viene minimizzato

Figura 7 Questa immagine raffigura un lato della scatola elettronica si vede chiaramente il connettore per lingresso del segnale analogico e i due interruttori per la regolazione del fattore di amplificazione del segnale chiamato gain (impostato su 200x)

Tabella 1 La tabella indica il fattore per cui viene amplificato il segnale analogico in base alla posizione degli interruttori

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Un altro vantaggio sta nel fatto che il pendolo si muove molto lentamente il periodo delloscillazione egrave cosigrave molto lungo (nel caso specifico puograve arrivare fino a 16 s)

Figura 8 In queste due immagini si puograve vedere il punto di contatto fra la parete verticale e lasta trasversale (a sinistra) e il punto di contatto fra la parete verticale e lasta orizzontale (a destra)

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La messa in servizio del sismografo

Prima di iniziare a tarare o ad utilizzare un sismografo egrave necessario che esso sia perfettamente calibrato Con calibrato intendo dire che esso deve essere perfettamente a livello che il periodo di oscillazione del pendolo non sia neacute troppo corto neacute troppo lungo e che il magnete di smorzamento faccia il suo dovere senza smorzare eccessivamente loscillazione del pendoloEgrave molto importante che il sismografo non venga toccato durante la calibrazione la taratura e il periodo di utilizzo Inoltre esso va protetto dalle correnti daria infatti anche piccoli stimoli come laria mossa da una persona che cammina a qualche decina di centimetri di distanza possono influenzare la normale oscillazione del pendolo con il risultato di far registrare dei dati errati

Scelta del luogo dove installare il sismografoPer poter raccogliere dei dati corretti egrave importante scegliere con attenzione il luogo dove installare il sismografo Esso va posizionato su una superficie solida e stabile come ho avuto modo di notare durante la mia esperienza va assolutamente evitato di installare il sismografo su tavoli o supporti rialzatiPer prima cosa bisogna scegliere un edificio il piugrave lontano possibile da aeroporti ferrovie autostrade e cosigrave via In seguito bisogna trovare un locale tranquillo non accessibile a troppe persone possibilmente va scelto un locale interrato ed il piugrave vicino possibile alle fondamenta delledificio in questo modo si rilevano meno oscillazioni provocate dal vento dal traffico e da altre influenze artificiali indesiderateInoltre il pavimento di un locale vicino alle fondamenta egrave a diretto contatto con il terreno sottostante ledificio ed il sismografo puograve rilevare le vibrazioni del terreno in modo piugrave diretto

Messa a livelloUna volta scelto il luogo dove installare il sismografo esso va messo a livello per fare questo si utilizza la vite di livellamentoIl sismografo egrave a livello nel momento in cui il pendolo nella posizione di equilibrio (cioegrave quando si trova a metagrave delloscillazione) egrave parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno (vedi figura 5)Quando il sismografo sembra essere a livello egrave bene aspettare alcuni minuti affincheacute il pendolo regolarizzi il suo moto dopodicheacute egrave necessario verificare nuovamente che il pendolo nella posizione di equilibrio sia parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno per ottenere un buon risultato egrave necessario ripetere questa operazione piugrave volte

Spostare gli oggetti accanto al sismografoEgrave bene ricordarsi di spostare gli oggetti che si trovano accanto al sismografo e che potrebbero ostacolarne loscillazione ed impedirne il corretto funzionamentoIn modo particolare egrave necessario assicurarsi che i fili collegati alla bobina di rilevamento corrano lontani dalle parti in movimento essi si trovano infatti a pochi centimetri di distanza dai dischi ed egrave facile che li sfiorino alterando non di poco i dati raccolti

Riparare il sismografo dalle influenze indesiderateDopo aver preparato il sismografo egrave necessario che esso venga protetto da tutto ciograve che puograve influenzarne il corretto funzionamento come ad esempio correnti daria o spifferi per quanto deboli e ininfluenti possano sembrarePer fare questo egrave sufficiente coprire il sismografo con una scatola o avvicinargli degli oggetti che lo proteggano dai movimenti daria

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Inoltre soprattutto lavorando in una scuola frequentata da molti studenti egrave bene ostacolare laccesso alle apparecchiature utilizzate in modo tale che nessuno possa toccare o spostare gli strumenti nei momenti in cui essi non sono sorvegliatiDurante lesecuzione della mia esperienza non ho potuto coprire il sismografo percheacute attorno ad esso vi sono svariate apparecchiature ed il tutto egrave stato installato in un piccolo locale Inoltre durante la raccolta dei dati egrave spesso necessario avvicinarsi al sismografo per dare degli input e correggere delle regolazioni se il sismografo fosse coperto da una scatola sarebbe necessario toglierla e rimetterla in continuazione provocando un notevole spostamento daria vanificando quindi lutilitagrave di questa protezioneCiononostante tutti i dati sono stati raccolti nella maggior tranquillitagrave possibile nel locale dove ho eseguito lesperienza non vi erano correnti daria e ogni movimento che ho fatto egrave stato curato per non destabilizzare il sismografoPrima di iniziare la registrazione dei dati utilizzati per effettuare le analisi sono sempre stato fermo alcuni minuti per assicurarmi che il sismografo non fosse influenzato dai miei movimenti precedenti

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Metodi di taratura del sismografo

Tarare un sismografo significa mettere in relazione lo spostamento del terreno con la tensione in uscita dalla bobina di rilevamentoIl sismografo che ho utilizzato per questesperienza misura la velocitagrave con cui si muove il terreno perciograve dovrograve misurare questa velocitagrave e la tensione generata dalla bobina di rilevamento in seguito dovrograve mettere in relazione i due valoriLa bobina di rilevamento tramite la scatola elettronica egrave collegata al computer in cui egrave installato il software IRIS AmaSeisreg che si occupa di registrare ed elaborare i dati rilevati con una frequenza di 20 HzQuesto software mostra il grafico al passare del tempo della tensione generatasi nella bobina senza perograve indicare lunitagrave di misura di questi valori ed egrave per questo che il sismografo necessita di essere taratoI dati registrati da AmaSeisreg vanno convertiti utilizzando il software SeisGram2Kreg in formato testo In seguito vanno espressi sotto forma di grafico utilizzando ad esempio lapplicazione Numbersreg per poi essere analizzatiNon avendo lunitagrave di misura dei valori rilevati dalla scatola elettronica considererograve per ora lunitagrave di misura arbitraria ADU (analog-to-ditigal unit ovvero unitagrave analogica digitalizzata)Misurare la velocitagrave di spostamento del pendolo del sismografo egrave piugrave complesso vi sono infatti vari metodi per effettuare queste misurazioni Durante questo lavoro di maturitagrave ne ho presi in considerazione due utilizzare un sensore ad ultrasuoni ed un interferometro di Michelson

Utilizzo di un sensore ad ultrasuoniAllinizio del mio lavoro ho utilizzato un sensore ad ultrasuoni per misurare lo spostamento del pendolo del sismografo esso egrave molto facile da utilizzare in quanto egrave sufficiente collegarlo al computer tramite linterfaccia Pasco Workshopreg il software Pasco DataStudioreg si occupa di misurare la distanza fra il sensore ad ultrasuoni e loggetto ad esso piugrave vicino e tracciare il grafico dei rilevamentiAvendo questi dati sotto forma grafica egrave sufficiente trovare la pendenza della tangente al grafico in ogni punto per conoscere in ogni momento la velocitagrave istantanea con cui si sposta il pendoloIl problema di questo tipo di sensore egrave che ha una bassa sensibilitagrave la frequenza delle misurazioni puograve essere aumentata al massimo fino a 120 Hz che risultano essere insufficienti per misurare le piccolissime oscillazioni del pendolo di un sismografoIl funzionamento di un sensore ad ultrasuoni egrave molto semplice (si faccia riferimento alla figura 9) vi egrave un emettitore di ultrasuoni2 (il poligono rosso) puntato sulloggetto da analizzare (la circonferenza verde)Londa sonora prodotta dal sensore (gli archi di circonferenza viola) si propaga nellaria per un tempo t1 fincheacute non incontra un ostacolo che la riflette A questo punto ripercorre il tragitto in senso inverso fino a tornare al sensore (in blu) impiegando un tempo t2 = t1Il sensore registra il tempo ttot = t1 + t2 pari al tempo impiegato dallonda sonora per percorrere il tragitto sensore-oggetto-sensoreSiccome la velocitagrave di propagazione del suono vs nellaria egrave un valore conosciuto (~343 ms a seconda delle condizioni meteorologiche) egrave possibile determinare la distanza d delloggetto dal sensore ad ultrasuoni

d = ttot2vs

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213gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza non percepibili dalluomo sono oltre il suono udibile

Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

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Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

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Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

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La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

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La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

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Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

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La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

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313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

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Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

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13 54

terremoti avvenuti ad esempio in mare aperto evacuare le zone costiere e bloccare automaticamente mettendoli in sicurezza gli impianti industriali che possono venire danneggiati se colpiti da onde sismiche o da tsunami evitando cosigrave gravi danni o incidenti

Limportanza della precisione degli strumentiIn qualunque ambito venga utilizzato un sismografo egrave molto importante che questo strumento sia preparato adeguatamente per permettere la raccolta di dati corretti piccoli errori nella messa in servizio o nella taratura del sismografo si possono tradurre in misurazioni imprecise o che non rispecchiano affatto lentitagrave del fenomeno registratoGiagrave durante la calibratura del sismografo vale a dire la messa a livello dellapparecchiatura la regolazione del periodo di oscillazione e il posizionamento del magnete di smorzamento egrave possibile accorgersi di quanto esso sia sensibile alle vibrazioni del terreno o agli spostamenti daria

Come egrave fatto un sismografo a pendoloCome si puograve vedere nelle figure 2 e 3 un sismografo a pendolo egrave composto da varie componenti

Figura 2 Componenti del sismografo a pendolo 1 struttura di sostegno 2 vite di livellamento 3piastra di smorzamento 4bobina di rilevamento 5 vite di regolazione del periodo 6dischi di ottone 7magnete di rilevamento 8magnete di smorzamento 9 aste di sostegno

13 5

Cosa oscilla e cosa non oscillaLe componenti di un sismografo a pendolo possono essere raggruppate in due categoriebull la struttura di sostegno le viti di regolazione il magnete di smorzamento e la bobina di

rilevamento (evidenziati in viola nella figura 4) sono solidali al terreno perciograve in condizioni normali non si muovono (escludendo il rumore di fondo)

bull le aste di sostegno la piastra di smorzamento il magnete di rilevamento e i dischi di ottone (evidenziati in blu nella figura 4) non sono solidali al terreno ma oscillano in modo indipendente questo significa che quando il terreno si muove essi tendono grazie alla loro inerzia a rimanere fermi sono perograve in moto relativo rispetto al terreno e al resto del sismografo

Figura 3 Dettaglio del sismografo sono messe in evidenza le parti centrali del sismografo

13 6

La struttura di sostegnoLa struttura di sostegno egrave divisa in due partibull la parete verticale (alta 042 m) su cui si appoggiano le due aste che reggono le masse il

magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentobull la tavola orizzontale (lunga 070 m) su cui egrave fissata la bobina di rilevamento ed egrave appoggiato il

magnete di smorzamento

La vite di livellamentoLa vite di livellamento serve a regolare linclinazione laterale della struttura di sostegno in modo che il pendolo quando il sismografo egrave in stato di quiete (cioegrave quando sente solo i rumori di fondo) sia parallelo alla tavola orizzontale (vedi figura 5)

Figura 4 Le componenti colorate in blu oscillano in modo indipendente le componenti evidenziate in viola invece sono solidali al terreno

Figura 5 In queste immagini sono rappresentati (in maniera semplificata) due sismografi in stato di quiete visti dallalto Limmagine di sinistra mostra un sismografo a livello mentre limmagine di destra mostra un sismografo che pende a sinistra

13 7

La vite di aggiustamento del periodoLa vite di aggiustamento del periodo serve per regolare il tempo impiegato dal pendolo per compiere unoscillazione completaPer spiegare cosa egrave unoscillazione completa prendo come esempio un orologio a pendolo il cui pendolo oscilla sempre in modo regolare e ripetitivoIniziamo ad osservare il pendolo quando esso si trova allestrema destra della sua oscillazione in questo punto esso staragrave fermo per un brevissimo istante prima di iniziare loscillazione mettendosi in moto verso sinistra Esso si muoveragrave fino allestremo sinistro della sua traiettoria si fermeragrave nuovamente per un istante e infine torneragrave nel punto estremo destro da cui egrave partito Il pendolo ha cosigrave compiuto unoscillazione completa il tempo impiegato per compiere questo percorso egrave detto periodo o piugrave precisamente periodo delloscillazione Lo stesso accade anche per il pendolo del sismografo

La piastra di smorzamentoLa piastra di smorzamento ha lo scopo di smorzare il moto del pendolo affincheacute dopo unoscillazione provocata da un movimento del terreno esso torni in breve tempo a compiere piccole oscillazioniUtilizzando il sismografo senza la piastra di smorzamento un minimo movimento del terreno provoca unampia oscillazione del pendolo che tende ad arrestarsi solo molto lentamente Questo fenomeno falsa i dati raccolti sembra infatti che il terreno si muova per svariati minuti ma in realtagrave egrave il pendolo che tende ad arrestare la propria oscillazione (vedi figura 6)

La bobina ed il magnete di rilevamentoQuando allinterno di un campo magnetico si muove un metallo al suo interno viene indotta una tensione elettricaQuesto fenomeno fisico viene sfruttato per misurare la velocitagrave di oscillazione del pendolo quando esso si muove (e con esso anche il magnete di rilevamento) la bobina si trova ad essere in moto relativo rispetto al magnete perciograve al suo interno viene indotta una tensione elettricaLa bobina di rilevamento egrave collegata ad una scatola elettronica1 che digitalizza il segnale analogico Questo segnale potragrave poi essere elaborato dal computer

Figura 6 Da questo grafico sembra che il terreno compia svariate oscillazioni

13 8

113scatola elettronica definita in questo modo (electronics box) dai produttori del sismografo

Maggiore egrave la velocitagrave con cui si muove il terreno maggiore saragrave la velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete e di conseguenza anche la tensione generata avragrave un valore piugrave altoIl computer mostra sotto forma di grafico il valore della tensione rilevata che egrave o meglio si presume essere proporzionale alla velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete

La scatola elettronicaLa tensione in uscita dalla bobina di rilevamento egrave molto debole per questo motivo egrave necessario che il segnale analogico venga amplificato e digitalizzato dalla scatola elettronica la quale egrave collegata ad un alimentatore da 12 VEgrave possibile scegliere il fattore per cui il segnale debba essere amplificato utilizzando i due piccoli interruttori presenti sulla scatola elettronica (vedi figura 7 e tabella 1)

interruttore 1 interruttore 2 gainon on 100xoff on 200xoff off 500x

I dischi di ottoneAllestremitagrave dellasta di sostegno orizzontale sono posizionati due grossi dischi di ottone entrambi di massa 0973 kgLa funzione delle masse egrave quella di conferire inerzia al pendolo se non ci fossero i dischi (o se questi avessero una massa troppo piccola) il pendolo non oscillerebbe in modo regolare ma verrebbe influenzato enormemente anche da piccoli input esterni

Le aste di sostegnoLe due aste di sostegno (orizzontale e trasversale) sorreggono i dischi il magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentoEsse si appoggiano alla struttura di sostegno in soli due punti (vedi figura 8) le aste non sono quindi fissate in nessun modo alla struttura di sostegno ma vi appoggiano unicamente grazie al loro pesoIl primo vantaggio egrave che appoggiando in due punti lattrito viene minimizzato

Figura 7 Questa immagine raffigura un lato della scatola elettronica si vede chiaramente il connettore per lingresso del segnale analogico e i due interruttori per la regolazione del fattore di amplificazione del segnale chiamato gain (impostato su 200x)

Tabella 1 La tabella indica il fattore per cui viene amplificato il segnale analogico in base alla posizione degli interruttori

13 9

Un altro vantaggio sta nel fatto che il pendolo si muove molto lentamente il periodo delloscillazione egrave cosigrave molto lungo (nel caso specifico puograve arrivare fino a 16 s)

Figura 8 In queste due immagini si puograve vedere il punto di contatto fra la parete verticale e lasta trasversale (a sinistra) e il punto di contatto fra la parete verticale e lasta orizzontale (a destra)

13 10

La messa in servizio del sismografo

Prima di iniziare a tarare o ad utilizzare un sismografo egrave necessario che esso sia perfettamente calibrato Con calibrato intendo dire che esso deve essere perfettamente a livello che il periodo di oscillazione del pendolo non sia neacute troppo corto neacute troppo lungo e che il magnete di smorzamento faccia il suo dovere senza smorzare eccessivamente loscillazione del pendoloEgrave molto importante che il sismografo non venga toccato durante la calibrazione la taratura e il periodo di utilizzo Inoltre esso va protetto dalle correnti daria infatti anche piccoli stimoli come laria mossa da una persona che cammina a qualche decina di centimetri di distanza possono influenzare la normale oscillazione del pendolo con il risultato di far registrare dei dati errati

Scelta del luogo dove installare il sismografoPer poter raccogliere dei dati corretti egrave importante scegliere con attenzione il luogo dove installare il sismografo Esso va posizionato su una superficie solida e stabile come ho avuto modo di notare durante la mia esperienza va assolutamente evitato di installare il sismografo su tavoli o supporti rialzatiPer prima cosa bisogna scegliere un edificio il piugrave lontano possibile da aeroporti ferrovie autostrade e cosigrave via In seguito bisogna trovare un locale tranquillo non accessibile a troppe persone possibilmente va scelto un locale interrato ed il piugrave vicino possibile alle fondamenta delledificio in questo modo si rilevano meno oscillazioni provocate dal vento dal traffico e da altre influenze artificiali indesiderateInoltre il pavimento di un locale vicino alle fondamenta egrave a diretto contatto con il terreno sottostante ledificio ed il sismografo puograve rilevare le vibrazioni del terreno in modo piugrave diretto

Messa a livelloUna volta scelto il luogo dove installare il sismografo esso va messo a livello per fare questo si utilizza la vite di livellamentoIl sismografo egrave a livello nel momento in cui il pendolo nella posizione di equilibrio (cioegrave quando si trova a metagrave delloscillazione) egrave parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno (vedi figura 5)Quando il sismografo sembra essere a livello egrave bene aspettare alcuni minuti affincheacute il pendolo regolarizzi il suo moto dopodicheacute egrave necessario verificare nuovamente che il pendolo nella posizione di equilibrio sia parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno per ottenere un buon risultato egrave necessario ripetere questa operazione piugrave volte

Spostare gli oggetti accanto al sismografoEgrave bene ricordarsi di spostare gli oggetti che si trovano accanto al sismografo e che potrebbero ostacolarne loscillazione ed impedirne il corretto funzionamentoIn modo particolare egrave necessario assicurarsi che i fili collegati alla bobina di rilevamento corrano lontani dalle parti in movimento essi si trovano infatti a pochi centimetri di distanza dai dischi ed egrave facile che li sfiorino alterando non di poco i dati raccolti

Riparare il sismografo dalle influenze indesiderateDopo aver preparato il sismografo egrave necessario che esso venga protetto da tutto ciograve che puograve influenzarne il corretto funzionamento come ad esempio correnti daria o spifferi per quanto deboli e ininfluenti possano sembrarePer fare questo egrave sufficiente coprire il sismografo con una scatola o avvicinargli degli oggetti che lo proteggano dai movimenti daria

13 11

Inoltre soprattutto lavorando in una scuola frequentata da molti studenti egrave bene ostacolare laccesso alle apparecchiature utilizzate in modo tale che nessuno possa toccare o spostare gli strumenti nei momenti in cui essi non sono sorvegliatiDurante lesecuzione della mia esperienza non ho potuto coprire il sismografo percheacute attorno ad esso vi sono svariate apparecchiature ed il tutto egrave stato installato in un piccolo locale Inoltre durante la raccolta dei dati egrave spesso necessario avvicinarsi al sismografo per dare degli input e correggere delle regolazioni se il sismografo fosse coperto da una scatola sarebbe necessario toglierla e rimetterla in continuazione provocando un notevole spostamento daria vanificando quindi lutilitagrave di questa protezioneCiononostante tutti i dati sono stati raccolti nella maggior tranquillitagrave possibile nel locale dove ho eseguito lesperienza non vi erano correnti daria e ogni movimento che ho fatto egrave stato curato per non destabilizzare il sismografoPrima di iniziare la registrazione dei dati utilizzati per effettuare le analisi sono sempre stato fermo alcuni minuti per assicurarmi che il sismografo non fosse influenzato dai miei movimenti precedenti

13 12

Metodi di taratura del sismografo

Tarare un sismografo significa mettere in relazione lo spostamento del terreno con la tensione in uscita dalla bobina di rilevamentoIl sismografo che ho utilizzato per questesperienza misura la velocitagrave con cui si muove il terreno perciograve dovrograve misurare questa velocitagrave e la tensione generata dalla bobina di rilevamento in seguito dovrograve mettere in relazione i due valoriLa bobina di rilevamento tramite la scatola elettronica egrave collegata al computer in cui egrave installato il software IRIS AmaSeisreg che si occupa di registrare ed elaborare i dati rilevati con una frequenza di 20 HzQuesto software mostra il grafico al passare del tempo della tensione generatasi nella bobina senza perograve indicare lunitagrave di misura di questi valori ed egrave per questo che il sismografo necessita di essere taratoI dati registrati da AmaSeisreg vanno convertiti utilizzando il software SeisGram2Kreg in formato testo In seguito vanno espressi sotto forma di grafico utilizzando ad esempio lapplicazione Numbersreg per poi essere analizzatiNon avendo lunitagrave di misura dei valori rilevati dalla scatola elettronica considererograve per ora lunitagrave di misura arbitraria ADU (analog-to-ditigal unit ovvero unitagrave analogica digitalizzata)Misurare la velocitagrave di spostamento del pendolo del sismografo egrave piugrave complesso vi sono infatti vari metodi per effettuare queste misurazioni Durante questo lavoro di maturitagrave ne ho presi in considerazione due utilizzare un sensore ad ultrasuoni ed un interferometro di Michelson

Utilizzo di un sensore ad ultrasuoniAllinizio del mio lavoro ho utilizzato un sensore ad ultrasuoni per misurare lo spostamento del pendolo del sismografo esso egrave molto facile da utilizzare in quanto egrave sufficiente collegarlo al computer tramite linterfaccia Pasco Workshopreg il software Pasco DataStudioreg si occupa di misurare la distanza fra il sensore ad ultrasuoni e loggetto ad esso piugrave vicino e tracciare il grafico dei rilevamentiAvendo questi dati sotto forma grafica egrave sufficiente trovare la pendenza della tangente al grafico in ogni punto per conoscere in ogni momento la velocitagrave istantanea con cui si sposta il pendoloIl problema di questo tipo di sensore egrave che ha una bassa sensibilitagrave la frequenza delle misurazioni puograve essere aumentata al massimo fino a 120 Hz che risultano essere insufficienti per misurare le piccolissime oscillazioni del pendolo di un sismografoIl funzionamento di un sensore ad ultrasuoni egrave molto semplice (si faccia riferimento alla figura 9) vi egrave un emettitore di ultrasuoni2 (il poligono rosso) puntato sulloggetto da analizzare (la circonferenza verde)Londa sonora prodotta dal sensore (gli archi di circonferenza viola) si propaga nellaria per un tempo t1 fincheacute non incontra un ostacolo che la riflette A questo punto ripercorre il tragitto in senso inverso fino a tornare al sensore (in blu) impiegando un tempo t2 = t1Il sensore registra il tempo ttot = t1 + t2 pari al tempo impiegato dallonda sonora per percorrere il tragitto sensore-oggetto-sensoreSiccome la velocitagrave di propagazione del suono vs nellaria egrave un valore conosciuto (~343 ms a seconda delle condizioni meteorologiche) egrave possibile determinare la distanza d delloggetto dal sensore ad ultrasuoni

d = ttot2vs

13 13

213gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza non percepibili dalluomo sono oltre il suono udibile

Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

13 14

Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

13 15

Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

13 17

La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

13 19

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

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13 54

Cosa oscilla e cosa non oscillaLe componenti di un sismografo a pendolo possono essere raggruppate in due categoriebull la struttura di sostegno le viti di regolazione il magnete di smorzamento e la bobina di

rilevamento (evidenziati in viola nella figura 4) sono solidali al terreno perciograve in condizioni normali non si muovono (escludendo il rumore di fondo)

bull le aste di sostegno la piastra di smorzamento il magnete di rilevamento e i dischi di ottone (evidenziati in blu nella figura 4) non sono solidali al terreno ma oscillano in modo indipendente questo significa che quando il terreno si muove essi tendono grazie alla loro inerzia a rimanere fermi sono perograve in moto relativo rispetto al terreno e al resto del sismografo

Figura 3 Dettaglio del sismografo sono messe in evidenza le parti centrali del sismografo

13 6

La struttura di sostegnoLa struttura di sostegno egrave divisa in due partibull la parete verticale (alta 042 m) su cui si appoggiano le due aste che reggono le masse il

magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentobull la tavola orizzontale (lunga 070 m) su cui egrave fissata la bobina di rilevamento ed egrave appoggiato il

magnete di smorzamento

La vite di livellamentoLa vite di livellamento serve a regolare linclinazione laterale della struttura di sostegno in modo che il pendolo quando il sismografo egrave in stato di quiete (cioegrave quando sente solo i rumori di fondo) sia parallelo alla tavola orizzontale (vedi figura 5)

Figura 4 Le componenti colorate in blu oscillano in modo indipendente le componenti evidenziate in viola invece sono solidali al terreno

Figura 5 In queste immagini sono rappresentati (in maniera semplificata) due sismografi in stato di quiete visti dallalto Limmagine di sinistra mostra un sismografo a livello mentre limmagine di destra mostra un sismografo che pende a sinistra

13 7

La vite di aggiustamento del periodoLa vite di aggiustamento del periodo serve per regolare il tempo impiegato dal pendolo per compiere unoscillazione completaPer spiegare cosa egrave unoscillazione completa prendo come esempio un orologio a pendolo il cui pendolo oscilla sempre in modo regolare e ripetitivoIniziamo ad osservare il pendolo quando esso si trova allestrema destra della sua oscillazione in questo punto esso staragrave fermo per un brevissimo istante prima di iniziare loscillazione mettendosi in moto verso sinistra Esso si muoveragrave fino allestremo sinistro della sua traiettoria si fermeragrave nuovamente per un istante e infine torneragrave nel punto estremo destro da cui egrave partito Il pendolo ha cosigrave compiuto unoscillazione completa il tempo impiegato per compiere questo percorso egrave detto periodo o piugrave precisamente periodo delloscillazione Lo stesso accade anche per il pendolo del sismografo

La piastra di smorzamentoLa piastra di smorzamento ha lo scopo di smorzare il moto del pendolo affincheacute dopo unoscillazione provocata da un movimento del terreno esso torni in breve tempo a compiere piccole oscillazioniUtilizzando il sismografo senza la piastra di smorzamento un minimo movimento del terreno provoca unampia oscillazione del pendolo che tende ad arrestarsi solo molto lentamente Questo fenomeno falsa i dati raccolti sembra infatti che il terreno si muova per svariati minuti ma in realtagrave egrave il pendolo che tende ad arrestare la propria oscillazione (vedi figura 6)

La bobina ed il magnete di rilevamentoQuando allinterno di un campo magnetico si muove un metallo al suo interno viene indotta una tensione elettricaQuesto fenomeno fisico viene sfruttato per misurare la velocitagrave di oscillazione del pendolo quando esso si muove (e con esso anche il magnete di rilevamento) la bobina si trova ad essere in moto relativo rispetto al magnete perciograve al suo interno viene indotta una tensione elettricaLa bobina di rilevamento egrave collegata ad una scatola elettronica1 che digitalizza il segnale analogico Questo segnale potragrave poi essere elaborato dal computer

Figura 6 Da questo grafico sembra che il terreno compia svariate oscillazioni

13 8

113scatola elettronica definita in questo modo (electronics box) dai produttori del sismografo

Maggiore egrave la velocitagrave con cui si muove il terreno maggiore saragrave la velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete e di conseguenza anche la tensione generata avragrave un valore piugrave altoIl computer mostra sotto forma di grafico il valore della tensione rilevata che egrave o meglio si presume essere proporzionale alla velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete

La scatola elettronicaLa tensione in uscita dalla bobina di rilevamento egrave molto debole per questo motivo egrave necessario che il segnale analogico venga amplificato e digitalizzato dalla scatola elettronica la quale egrave collegata ad un alimentatore da 12 VEgrave possibile scegliere il fattore per cui il segnale debba essere amplificato utilizzando i due piccoli interruttori presenti sulla scatola elettronica (vedi figura 7 e tabella 1)

interruttore 1 interruttore 2 gainon on 100xoff on 200xoff off 500x

I dischi di ottoneAllestremitagrave dellasta di sostegno orizzontale sono posizionati due grossi dischi di ottone entrambi di massa 0973 kgLa funzione delle masse egrave quella di conferire inerzia al pendolo se non ci fossero i dischi (o se questi avessero una massa troppo piccola) il pendolo non oscillerebbe in modo regolare ma verrebbe influenzato enormemente anche da piccoli input esterni

Le aste di sostegnoLe due aste di sostegno (orizzontale e trasversale) sorreggono i dischi il magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentoEsse si appoggiano alla struttura di sostegno in soli due punti (vedi figura 8) le aste non sono quindi fissate in nessun modo alla struttura di sostegno ma vi appoggiano unicamente grazie al loro pesoIl primo vantaggio egrave che appoggiando in due punti lattrito viene minimizzato

Figura 7 Questa immagine raffigura un lato della scatola elettronica si vede chiaramente il connettore per lingresso del segnale analogico e i due interruttori per la regolazione del fattore di amplificazione del segnale chiamato gain (impostato su 200x)

Tabella 1 La tabella indica il fattore per cui viene amplificato il segnale analogico in base alla posizione degli interruttori

13 9

Un altro vantaggio sta nel fatto che il pendolo si muove molto lentamente il periodo delloscillazione egrave cosigrave molto lungo (nel caso specifico puograve arrivare fino a 16 s)

Figura 8 In queste due immagini si puograve vedere il punto di contatto fra la parete verticale e lasta trasversale (a sinistra) e il punto di contatto fra la parete verticale e lasta orizzontale (a destra)

13 10

La messa in servizio del sismografo

Prima di iniziare a tarare o ad utilizzare un sismografo egrave necessario che esso sia perfettamente calibrato Con calibrato intendo dire che esso deve essere perfettamente a livello che il periodo di oscillazione del pendolo non sia neacute troppo corto neacute troppo lungo e che il magnete di smorzamento faccia il suo dovere senza smorzare eccessivamente loscillazione del pendoloEgrave molto importante che il sismografo non venga toccato durante la calibrazione la taratura e il periodo di utilizzo Inoltre esso va protetto dalle correnti daria infatti anche piccoli stimoli come laria mossa da una persona che cammina a qualche decina di centimetri di distanza possono influenzare la normale oscillazione del pendolo con il risultato di far registrare dei dati errati

Scelta del luogo dove installare il sismografoPer poter raccogliere dei dati corretti egrave importante scegliere con attenzione il luogo dove installare il sismografo Esso va posizionato su una superficie solida e stabile come ho avuto modo di notare durante la mia esperienza va assolutamente evitato di installare il sismografo su tavoli o supporti rialzatiPer prima cosa bisogna scegliere un edificio il piugrave lontano possibile da aeroporti ferrovie autostrade e cosigrave via In seguito bisogna trovare un locale tranquillo non accessibile a troppe persone possibilmente va scelto un locale interrato ed il piugrave vicino possibile alle fondamenta delledificio in questo modo si rilevano meno oscillazioni provocate dal vento dal traffico e da altre influenze artificiali indesiderateInoltre il pavimento di un locale vicino alle fondamenta egrave a diretto contatto con il terreno sottostante ledificio ed il sismografo puograve rilevare le vibrazioni del terreno in modo piugrave diretto

Messa a livelloUna volta scelto il luogo dove installare il sismografo esso va messo a livello per fare questo si utilizza la vite di livellamentoIl sismografo egrave a livello nel momento in cui il pendolo nella posizione di equilibrio (cioegrave quando si trova a metagrave delloscillazione) egrave parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno (vedi figura 5)Quando il sismografo sembra essere a livello egrave bene aspettare alcuni minuti affincheacute il pendolo regolarizzi il suo moto dopodicheacute egrave necessario verificare nuovamente che il pendolo nella posizione di equilibrio sia parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno per ottenere un buon risultato egrave necessario ripetere questa operazione piugrave volte

Spostare gli oggetti accanto al sismografoEgrave bene ricordarsi di spostare gli oggetti che si trovano accanto al sismografo e che potrebbero ostacolarne loscillazione ed impedirne il corretto funzionamentoIn modo particolare egrave necessario assicurarsi che i fili collegati alla bobina di rilevamento corrano lontani dalle parti in movimento essi si trovano infatti a pochi centimetri di distanza dai dischi ed egrave facile che li sfiorino alterando non di poco i dati raccolti

Riparare il sismografo dalle influenze indesiderateDopo aver preparato il sismografo egrave necessario che esso venga protetto da tutto ciograve che puograve influenzarne il corretto funzionamento come ad esempio correnti daria o spifferi per quanto deboli e ininfluenti possano sembrarePer fare questo egrave sufficiente coprire il sismografo con una scatola o avvicinargli degli oggetti che lo proteggano dai movimenti daria

13 11

Inoltre soprattutto lavorando in una scuola frequentata da molti studenti egrave bene ostacolare laccesso alle apparecchiature utilizzate in modo tale che nessuno possa toccare o spostare gli strumenti nei momenti in cui essi non sono sorvegliatiDurante lesecuzione della mia esperienza non ho potuto coprire il sismografo percheacute attorno ad esso vi sono svariate apparecchiature ed il tutto egrave stato installato in un piccolo locale Inoltre durante la raccolta dei dati egrave spesso necessario avvicinarsi al sismografo per dare degli input e correggere delle regolazioni se il sismografo fosse coperto da una scatola sarebbe necessario toglierla e rimetterla in continuazione provocando un notevole spostamento daria vanificando quindi lutilitagrave di questa protezioneCiononostante tutti i dati sono stati raccolti nella maggior tranquillitagrave possibile nel locale dove ho eseguito lesperienza non vi erano correnti daria e ogni movimento che ho fatto egrave stato curato per non destabilizzare il sismografoPrima di iniziare la registrazione dei dati utilizzati per effettuare le analisi sono sempre stato fermo alcuni minuti per assicurarmi che il sismografo non fosse influenzato dai miei movimenti precedenti

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Metodi di taratura del sismografo

Tarare un sismografo significa mettere in relazione lo spostamento del terreno con la tensione in uscita dalla bobina di rilevamentoIl sismografo che ho utilizzato per questesperienza misura la velocitagrave con cui si muove il terreno perciograve dovrograve misurare questa velocitagrave e la tensione generata dalla bobina di rilevamento in seguito dovrograve mettere in relazione i due valoriLa bobina di rilevamento tramite la scatola elettronica egrave collegata al computer in cui egrave installato il software IRIS AmaSeisreg che si occupa di registrare ed elaborare i dati rilevati con una frequenza di 20 HzQuesto software mostra il grafico al passare del tempo della tensione generatasi nella bobina senza perograve indicare lunitagrave di misura di questi valori ed egrave per questo che il sismografo necessita di essere taratoI dati registrati da AmaSeisreg vanno convertiti utilizzando il software SeisGram2Kreg in formato testo In seguito vanno espressi sotto forma di grafico utilizzando ad esempio lapplicazione Numbersreg per poi essere analizzatiNon avendo lunitagrave di misura dei valori rilevati dalla scatola elettronica considererograve per ora lunitagrave di misura arbitraria ADU (analog-to-ditigal unit ovvero unitagrave analogica digitalizzata)Misurare la velocitagrave di spostamento del pendolo del sismografo egrave piugrave complesso vi sono infatti vari metodi per effettuare queste misurazioni Durante questo lavoro di maturitagrave ne ho presi in considerazione due utilizzare un sensore ad ultrasuoni ed un interferometro di Michelson

Utilizzo di un sensore ad ultrasuoniAllinizio del mio lavoro ho utilizzato un sensore ad ultrasuoni per misurare lo spostamento del pendolo del sismografo esso egrave molto facile da utilizzare in quanto egrave sufficiente collegarlo al computer tramite linterfaccia Pasco Workshopreg il software Pasco DataStudioreg si occupa di misurare la distanza fra il sensore ad ultrasuoni e loggetto ad esso piugrave vicino e tracciare il grafico dei rilevamentiAvendo questi dati sotto forma grafica egrave sufficiente trovare la pendenza della tangente al grafico in ogni punto per conoscere in ogni momento la velocitagrave istantanea con cui si sposta il pendoloIl problema di questo tipo di sensore egrave che ha una bassa sensibilitagrave la frequenza delle misurazioni puograve essere aumentata al massimo fino a 120 Hz che risultano essere insufficienti per misurare le piccolissime oscillazioni del pendolo di un sismografoIl funzionamento di un sensore ad ultrasuoni egrave molto semplice (si faccia riferimento alla figura 9) vi egrave un emettitore di ultrasuoni2 (il poligono rosso) puntato sulloggetto da analizzare (la circonferenza verde)Londa sonora prodotta dal sensore (gli archi di circonferenza viola) si propaga nellaria per un tempo t1 fincheacute non incontra un ostacolo che la riflette A questo punto ripercorre il tragitto in senso inverso fino a tornare al sensore (in blu) impiegando un tempo t2 = t1Il sensore registra il tempo ttot = t1 + t2 pari al tempo impiegato dallonda sonora per percorrere il tragitto sensore-oggetto-sensoreSiccome la velocitagrave di propagazione del suono vs nellaria egrave un valore conosciuto (~343 ms a seconda delle condizioni meteorologiche) egrave possibile determinare la distanza d delloggetto dal sensore ad ultrasuoni

d = ttot2vs

13 13

213gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza non percepibili dalluomo sono oltre il suono udibile

Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

13 14

Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

13 15

Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

13 17

La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

13 19

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

La struttura di sostegnoLa struttura di sostegno egrave divisa in due partibull la parete verticale (alta 042 m) su cui si appoggiano le due aste che reggono le masse il

magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentobull la tavola orizzontale (lunga 070 m) su cui egrave fissata la bobina di rilevamento ed egrave appoggiato il

magnete di smorzamento

La vite di livellamentoLa vite di livellamento serve a regolare linclinazione laterale della struttura di sostegno in modo che il pendolo quando il sismografo egrave in stato di quiete (cioegrave quando sente solo i rumori di fondo) sia parallelo alla tavola orizzontale (vedi figura 5)

Figura 4 Le componenti colorate in blu oscillano in modo indipendente le componenti evidenziate in viola invece sono solidali al terreno

Figura 5 In queste immagini sono rappresentati (in maniera semplificata) due sismografi in stato di quiete visti dallalto Limmagine di sinistra mostra un sismografo a livello mentre limmagine di destra mostra un sismografo che pende a sinistra

13 7

La vite di aggiustamento del periodoLa vite di aggiustamento del periodo serve per regolare il tempo impiegato dal pendolo per compiere unoscillazione completaPer spiegare cosa egrave unoscillazione completa prendo come esempio un orologio a pendolo il cui pendolo oscilla sempre in modo regolare e ripetitivoIniziamo ad osservare il pendolo quando esso si trova allestrema destra della sua oscillazione in questo punto esso staragrave fermo per un brevissimo istante prima di iniziare loscillazione mettendosi in moto verso sinistra Esso si muoveragrave fino allestremo sinistro della sua traiettoria si fermeragrave nuovamente per un istante e infine torneragrave nel punto estremo destro da cui egrave partito Il pendolo ha cosigrave compiuto unoscillazione completa il tempo impiegato per compiere questo percorso egrave detto periodo o piugrave precisamente periodo delloscillazione Lo stesso accade anche per il pendolo del sismografo

La piastra di smorzamentoLa piastra di smorzamento ha lo scopo di smorzare il moto del pendolo affincheacute dopo unoscillazione provocata da un movimento del terreno esso torni in breve tempo a compiere piccole oscillazioniUtilizzando il sismografo senza la piastra di smorzamento un minimo movimento del terreno provoca unampia oscillazione del pendolo che tende ad arrestarsi solo molto lentamente Questo fenomeno falsa i dati raccolti sembra infatti che il terreno si muova per svariati minuti ma in realtagrave egrave il pendolo che tende ad arrestare la propria oscillazione (vedi figura 6)

La bobina ed il magnete di rilevamentoQuando allinterno di un campo magnetico si muove un metallo al suo interno viene indotta una tensione elettricaQuesto fenomeno fisico viene sfruttato per misurare la velocitagrave di oscillazione del pendolo quando esso si muove (e con esso anche il magnete di rilevamento) la bobina si trova ad essere in moto relativo rispetto al magnete perciograve al suo interno viene indotta una tensione elettricaLa bobina di rilevamento egrave collegata ad una scatola elettronica1 che digitalizza il segnale analogico Questo segnale potragrave poi essere elaborato dal computer

Figura 6 Da questo grafico sembra che il terreno compia svariate oscillazioni

13 8

113scatola elettronica definita in questo modo (electronics box) dai produttori del sismografo

Maggiore egrave la velocitagrave con cui si muove il terreno maggiore saragrave la velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete e di conseguenza anche la tensione generata avragrave un valore piugrave altoIl computer mostra sotto forma di grafico il valore della tensione rilevata che egrave o meglio si presume essere proporzionale alla velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete

La scatola elettronicaLa tensione in uscita dalla bobina di rilevamento egrave molto debole per questo motivo egrave necessario che il segnale analogico venga amplificato e digitalizzato dalla scatola elettronica la quale egrave collegata ad un alimentatore da 12 VEgrave possibile scegliere il fattore per cui il segnale debba essere amplificato utilizzando i due piccoli interruttori presenti sulla scatola elettronica (vedi figura 7 e tabella 1)

interruttore 1 interruttore 2 gainon on 100xoff on 200xoff off 500x

I dischi di ottoneAllestremitagrave dellasta di sostegno orizzontale sono posizionati due grossi dischi di ottone entrambi di massa 0973 kgLa funzione delle masse egrave quella di conferire inerzia al pendolo se non ci fossero i dischi (o se questi avessero una massa troppo piccola) il pendolo non oscillerebbe in modo regolare ma verrebbe influenzato enormemente anche da piccoli input esterni

Le aste di sostegnoLe due aste di sostegno (orizzontale e trasversale) sorreggono i dischi il magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentoEsse si appoggiano alla struttura di sostegno in soli due punti (vedi figura 8) le aste non sono quindi fissate in nessun modo alla struttura di sostegno ma vi appoggiano unicamente grazie al loro pesoIl primo vantaggio egrave che appoggiando in due punti lattrito viene minimizzato

Figura 7 Questa immagine raffigura un lato della scatola elettronica si vede chiaramente il connettore per lingresso del segnale analogico e i due interruttori per la regolazione del fattore di amplificazione del segnale chiamato gain (impostato su 200x)

Tabella 1 La tabella indica il fattore per cui viene amplificato il segnale analogico in base alla posizione degli interruttori

13 9

Un altro vantaggio sta nel fatto che il pendolo si muove molto lentamente il periodo delloscillazione egrave cosigrave molto lungo (nel caso specifico puograve arrivare fino a 16 s)

Figura 8 In queste due immagini si puograve vedere il punto di contatto fra la parete verticale e lasta trasversale (a sinistra) e il punto di contatto fra la parete verticale e lasta orizzontale (a destra)

13 10

La messa in servizio del sismografo

Prima di iniziare a tarare o ad utilizzare un sismografo egrave necessario che esso sia perfettamente calibrato Con calibrato intendo dire che esso deve essere perfettamente a livello che il periodo di oscillazione del pendolo non sia neacute troppo corto neacute troppo lungo e che il magnete di smorzamento faccia il suo dovere senza smorzare eccessivamente loscillazione del pendoloEgrave molto importante che il sismografo non venga toccato durante la calibrazione la taratura e il periodo di utilizzo Inoltre esso va protetto dalle correnti daria infatti anche piccoli stimoli come laria mossa da una persona che cammina a qualche decina di centimetri di distanza possono influenzare la normale oscillazione del pendolo con il risultato di far registrare dei dati errati

Scelta del luogo dove installare il sismografoPer poter raccogliere dei dati corretti egrave importante scegliere con attenzione il luogo dove installare il sismografo Esso va posizionato su una superficie solida e stabile come ho avuto modo di notare durante la mia esperienza va assolutamente evitato di installare il sismografo su tavoli o supporti rialzatiPer prima cosa bisogna scegliere un edificio il piugrave lontano possibile da aeroporti ferrovie autostrade e cosigrave via In seguito bisogna trovare un locale tranquillo non accessibile a troppe persone possibilmente va scelto un locale interrato ed il piugrave vicino possibile alle fondamenta delledificio in questo modo si rilevano meno oscillazioni provocate dal vento dal traffico e da altre influenze artificiali indesiderateInoltre il pavimento di un locale vicino alle fondamenta egrave a diretto contatto con il terreno sottostante ledificio ed il sismografo puograve rilevare le vibrazioni del terreno in modo piugrave diretto

Messa a livelloUna volta scelto il luogo dove installare il sismografo esso va messo a livello per fare questo si utilizza la vite di livellamentoIl sismografo egrave a livello nel momento in cui il pendolo nella posizione di equilibrio (cioegrave quando si trova a metagrave delloscillazione) egrave parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno (vedi figura 5)Quando il sismografo sembra essere a livello egrave bene aspettare alcuni minuti affincheacute il pendolo regolarizzi il suo moto dopodicheacute egrave necessario verificare nuovamente che il pendolo nella posizione di equilibrio sia parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno per ottenere un buon risultato egrave necessario ripetere questa operazione piugrave volte

Spostare gli oggetti accanto al sismografoEgrave bene ricordarsi di spostare gli oggetti che si trovano accanto al sismografo e che potrebbero ostacolarne loscillazione ed impedirne il corretto funzionamentoIn modo particolare egrave necessario assicurarsi che i fili collegati alla bobina di rilevamento corrano lontani dalle parti in movimento essi si trovano infatti a pochi centimetri di distanza dai dischi ed egrave facile che li sfiorino alterando non di poco i dati raccolti

Riparare il sismografo dalle influenze indesiderateDopo aver preparato il sismografo egrave necessario che esso venga protetto da tutto ciograve che puograve influenzarne il corretto funzionamento come ad esempio correnti daria o spifferi per quanto deboli e ininfluenti possano sembrarePer fare questo egrave sufficiente coprire il sismografo con una scatola o avvicinargli degli oggetti che lo proteggano dai movimenti daria

13 11

Inoltre soprattutto lavorando in una scuola frequentata da molti studenti egrave bene ostacolare laccesso alle apparecchiature utilizzate in modo tale che nessuno possa toccare o spostare gli strumenti nei momenti in cui essi non sono sorvegliatiDurante lesecuzione della mia esperienza non ho potuto coprire il sismografo percheacute attorno ad esso vi sono svariate apparecchiature ed il tutto egrave stato installato in un piccolo locale Inoltre durante la raccolta dei dati egrave spesso necessario avvicinarsi al sismografo per dare degli input e correggere delle regolazioni se il sismografo fosse coperto da una scatola sarebbe necessario toglierla e rimetterla in continuazione provocando un notevole spostamento daria vanificando quindi lutilitagrave di questa protezioneCiononostante tutti i dati sono stati raccolti nella maggior tranquillitagrave possibile nel locale dove ho eseguito lesperienza non vi erano correnti daria e ogni movimento che ho fatto egrave stato curato per non destabilizzare il sismografoPrima di iniziare la registrazione dei dati utilizzati per effettuare le analisi sono sempre stato fermo alcuni minuti per assicurarmi che il sismografo non fosse influenzato dai miei movimenti precedenti

13 12

Metodi di taratura del sismografo

Tarare un sismografo significa mettere in relazione lo spostamento del terreno con la tensione in uscita dalla bobina di rilevamentoIl sismografo che ho utilizzato per questesperienza misura la velocitagrave con cui si muove il terreno perciograve dovrograve misurare questa velocitagrave e la tensione generata dalla bobina di rilevamento in seguito dovrograve mettere in relazione i due valoriLa bobina di rilevamento tramite la scatola elettronica egrave collegata al computer in cui egrave installato il software IRIS AmaSeisreg che si occupa di registrare ed elaborare i dati rilevati con una frequenza di 20 HzQuesto software mostra il grafico al passare del tempo della tensione generatasi nella bobina senza perograve indicare lunitagrave di misura di questi valori ed egrave per questo che il sismografo necessita di essere taratoI dati registrati da AmaSeisreg vanno convertiti utilizzando il software SeisGram2Kreg in formato testo In seguito vanno espressi sotto forma di grafico utilizzando ad esempio lapplicazione Numbersreg per poi essere analizzatiNon avendo lunitagrave di misura dei valori rilevati dalla scatola elettronica considererograve per ora lunitagrave di misura arbitraria ADU (analog-to-ditigal unit ovvero unitagrave analogica digitalizzata)Misurare la velocitagrave di spostamento del pendolo del sismografo egrave piugrave complesso vi sono infatti vari metodi per effettuare queste misurazioni Durante questo lavoro di maturitagrave ne ho presi in considerazione due utilizzare un sensore ad ultrasuoni ed un interferometro di Michelson

Utilizzo di un sensore ad ultrasuoniAllinizio del mio lavoro ho utilizzato un sensore ad ultrasuoni per misurare lo spostamento del pendolo del sismografo esso egrave molto facile da utilizzare in quanto egrave sufficiente collegarlo al computer tramite linterfaccia Pasco Workshopreg il software Pasco DataStudioreg si occupa di misurare la distanza fra il sensore ad ultrasuoni e loggetto ad esso piugrave vicino e tracciare il grafico dei rilevamentiAvendo questi dati sotto forma grafica egrave sufficiente trovare la pendenza della tangente al grafico in ogni punto per conoscere in ogni momento la velocitagrave istantanea con cui si sposta il pendoloIl problema di questo tipo di sensore egrave che ha una bassa sensibilitagrave la frequenza delle misurazioni puograve essere aumentata al massimo fino a 120 Hz che risultano essere insufficienti per misurare le piccolissime oscillazioni del pendolo di un sismografoIl funzionamento di un sensore ad ultrasuoni egrave molto semplice (si faccia riferimento alla figura 9) vi egrave un emettitore di ultrasuoni2 (il poligono rosso) puntato sulloggetto da analizzare (la circonferenza verde)Londa sonora prodotta dal sensore (gli archi di circonferenza viola) si propaga nellaria per un tempo t1 fincheacute non incontra un ostacolo che la riflette A questo punto ripercorre il tragitto in senso inverso fino a tornare al sensore (in blu) impiegando un tempo t2 = t1Il sensore registra il tempo ttot = t1 + t2 pari al tempo impiegato dallonda sonora per percorrere il tragitto sensore-oggetto-sensoreSiccome la velocitagrave di propagazione del suono vs nellaria egrave un valore conosciuto (~343 ms a seconda delle condizioni meteorologiche) egrave possibile determinare la distanza d delloggetto dal sensore ad ultrasuoni

d = ttot2vs

13 13

213gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza non percepibili dalluomo sono oltre il suono udibile

Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

13 14

Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

13 15

Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

13 17

La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

13 19

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

La vite di aggiustamento del periodoLa vite di aggiustamento del periodo serve per regolare il tempo impiegato dal pendolo per compiere unoscillazione completaPer spiegare cosa egrave unoscillazione completa prendo come esempio un orologio a pendolo il cui pendolo oscilla sempre in modo regolare e ripetitivoIniziamo ad osservare il pendolo quando esso si trova allestrema destra della sua oscillazione in questo punto esso staragrave fermo per un brevissimo istante prima di iniziare loscillazione mettendosi in moto verso sinistra Esso si muoveragrave fino allestremo sinistro della sua traiettoria si fermeragrave nuovamente per un istante e infine torneragrave nel punto estremo destro da cui egrave partito Il pendolo ha cosigrave compiuto unoscillazione completa il tempo impiegato per compiere questo percorso egrave detto periodo o piugrave precisamente periodo delloscillazione Lo stesso accade anche per il pendolo del sismografo

La piastra di smorzamentoLa piastra di smorzamento ha lo scopo di smorzare il moto del pendolo affincheacute dopo unoscillazione provocata da un movimento del terreno esso torni in breve tempo a compiere piccole oscillazioniUtilizzando il sismografo senza la piastra di smorzamento un minimo movimento del terreno provoca unampia oscillazione del pendolo che tende ad arrestarsi solo molto lentamente Questo fenomeno falsa i dati raccolti sembra infatti che il terreno si muova per svariati minuti ma in realtagrave egrave il pendolo che tende ad arrestare la propria oscillazione (vedi figura 6)

La bobina ed il magnete di rilevamentoQuando allinterno di un campo magnetico si muove un metallo al suo interno viene indotta una tensione elettricaQuesto fenomeno fisico viene sfruttato per misurare la velocitagrave di oscillazione del pendolo quando esso si muove (e con esso anche il magnete di rilevamento) la bobina si trova ad essere in moto relativo rispetto al magnete perciograve al suo interno viene indotta una tensione elettricaLa bobina di rilevamento egrave collegata ad una scatola elettronica1 che digitalizza il segnale analogico Questo segnale potragrave poi essere elaborato dal computer

Figura 6 Da questo grafico sembra che il terreno compia svariate oscillazioni

13 8

113scatola elettronica definita in questo modo (electronics box) dai produttori del sismografo

Maggiore egrave la velocitagrave con cui si muove il terreno maggiore saragrave la velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete e di conseguenza anche la tensione generata avragrave un valore piugrave altoIl computer mostra sotto forma di grafico il valore della tensione rilevata che egrave o meglio si presume essere proporzionale alla velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete

La scatola elettronicaLa tensione in uscita dalla bobina di rilevamento egrave molto debole per questo motivo egrave necessario che il segnale analogico venga amplificato e digitalizzato dalla scatola elettronica la quale egrave collegata ad un alimentatore da 12 VEgrave possibile scegliere il fattore per cui il segnale debba essere amplificato utilizzando i due piccoli interruttori presenti sulla scatola elettronica (vedi figura 7 e tabella 1)

interruttore 1 interruttore 2 gainon on 100xoff on 200xoff off 500x

I dischi di ottoneAllestremitagrave dellasta di sostegno orizzontale sono posizionati due grossi dischi di ottone entrambi di massa 0973 kgLa funzione delle masse egrave quella di conferire inerzia al pendolo se non ci fossero i dischi (o se questi avessero una massa troppo piccola) il pendolo non oscillerebbe in modo regolare ma verrebbe influenzato enormemente anche da piccoli input esterni

Le aste di sostegnoLe due aste di sostegno (orizzontale e trasversale) sorreggono i dischi il magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentoEsse si appoggiano alla struttura di sostegno in soli due punti (vedi figura 8) le aste non sono quindi fissate in nessun modo alla struttura di sostegno ma vi appoggiano unicamente grazie al loro pesoIl primo vantaggio egrave che appoggiando in due punti lattrito viene minimizzato

Figura 7 Questa immagine raffigura un lato della scatola elettronica si vede chiaramente il connettore per lingresso del segnale analogico e i due interruttori per la regolazione del fattore di amplificazione del segnale chiamato gain (impostato su 200x)

Tabella 1 La tabella indica il fattore per cui viene amplificato il segnale analogico in base alla posizione degli interruttori

13 9

Un altro vantaggio sta nel fatto che il pendolo si muove molto lentamente il periodo delloscillazione egrave cosigrave molto lungo (nel caso specifico puograve arrivare fino a 16 s)

Figura 8 In queste due immagini si puograve vedere il punto di contatto fra la parete verticale e lasta trasversale (a sinistra) e il punto di contatto fra la parete verticale e lasta orizzontale (a destra)

13 10

La messa in servizio del sismografo

Prima di iniziare a tarare o ad utilizzare un sismografo egrave necessario che esso sia perfettamente calibrato Con calibrato intendo dire che esso deve essere perfettamente a livello che il periodo di oscillazione del pendolo non sia neacute troppo corto neacute troppo lungo e che il magnete di smorzamento faccia il suo dovere senza smorzare eccessivamente loscillazione del pendoloEgrave molto importante che il sismografo non venga toccato durante la calibrazione la taratura e il periodo di utilizzo Inoltre esso va protetto dalle correnti daria infatti anche piccoli stimoli come laria mossa da una persona che cammina a qualche decina di centimetri di distanza possono influenzare la normale oscillazione del pendolo con il risultato di far registrare dei dati errati

Scelta del luogo dove installare il sismografoPer poter raccogliere dei dati corretti egrave importante scegliere con attenzione il luogo dove installare il sismografo Esso va posizionato su una superficie solida e stabile come ho avuto modo di notare durante la mia esperienza va assolutamente evitato di installare il sismografo su tavoli o supporti rialzatiPer prima cosa bisogna scegliere un edificio il piugrave lontano possibile da aeroporti ferrovie autostrade e cosigrave via In seguito bisogna trovare un locale tranquillo non accessibile a troppe persone possibilmente va scelto un locale interrato ed il piugrave vicino possibile alle fondamenta delledificio in questo modo si rilevano meno oscillazioni provocate dal vento dal traffico e da altre influenze artificiali indesiderateInoltre il pavimento di un locale vicino alle fondamenta egrave a diretto contatto con il terreno sottostante ledificio ed il sismografo puograve rilevare le vibrazioni del terreno in modo piugrave diretto

Messa a livelloUna volta scelto il luogo dove installare il sismografo esso va messo a livello per fare questo si utilizza la vite di livellamentoIl sismografo egrave a livello nel momento in cui il pendolo nella posizione di equilibrio (cioegrave quando si trova a metagrave delloscillazione) egrave parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno (vedi figura 5)Quando il sismografo sembra essere a livello egrave bene aspettare alcuni minuti affincheacute il pendolo regolarizzi il suo moto dopodicheacute egrave necessario verificare nuovamente che il pendolo nella posizione di equilibrio sia parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno per ottenere un buon risultato egrave necessario ripetere questa operazione piugrave volte

Spostare gli oggetti accanto al sismografoEgrave bene ricordarsi di spostare gli oggetti che si trovano accanto al sismografo e che potrebbero ostacolarne loscillazione ed impedirne il corretto funzionamentoIn modo particolare egrave necessario assicurarsi che i fili collegati alla bobina di rilevamento corrano lontani dalle parti in movimento essi si trovano infatti a pochi centimetri di distanza dai dischi ed egrave facile che li sfiorino alterando non di poco i dati raccolti

Riparare il sismografo dalle influenze indesiderateDopo aver preparato il sismografo egrave necessario che esso venga protetto da tutto ciograve che puograve influenzarne il corretto funzionamento come ad esempio correnti daria o spifferi per quanto deboli e ininfluenti possano sembrarePer fare questo egrave sufficiente coprire il sismografo con una scatola o avvicinargli degli oggetti che lo proteggano dai movimenti daria

13 11

Inoltre soprattutto lavorando in una scuola frequentata da molti studenti egrave bene ostacolare laccesso alle apparecchiature utilizzate in modo tale che nessuno possa toccare o spostare gli strumenti nei momenti in cui essi non sono sorvegliatiDurante lesecuzione della mia esperienza non ho potuto coprire il sismografo percheacute attorno ad esso vi sono svariate apparecchiature ed il tutto egrave stato installato in un piccolo locale Inoltre durante la raccolta dei dati egrave spesso necessario avvicinarsi al sismografo per dare degli input e correggere delle regolazioni se il sismografo fosse coperto da una scatola sarebbe necessario toglierla e rimetterla in continuazione provocando un notevole spostamento daria vanificando quindi lutilitagrave di questa protezioneCiononostante tutti i dati sono stati raccolti nella maggior tranquillitagrave possibile nel locale dove ho eseguito lesperienza non vi erano correnti daria e ogni movimento che ho fatto egrave stato curato per non destabilizzare il sismografoPrima di iniziare la registrazione dei dati utilizzati per effettuare le analisi sono sempre stato fermo alcuni minuti per assicurarmi che il sismografo non fosse influenzato dai miei movimenti precedenti

13 12

Metodi di taratura del sismografo

Tarare un sismografo significa mettere in relazione lo spostamento del terreno con la tensione in uscita dalla bobina di rilevamentoIl sismografo che ho utilizzato per questesperienza misura la velocitagrave con cui si muove il terreno perciograve dovrograve misurare questa velocitagrave e la tensione generata dalla bobina di rilevamento in seguito dovrograve mettere in relazione i due valoriLa bobina di rilevamento tramite la scatola elettronica egrave collegata al computer in cui egrave installato il software IRIS AmaSeisreg che si occupa di registrare ed elaborare i dati rilevati con una frequenza di 20 HzQuesto software mostra il grafico al passare del tempo della tensione generatasi nella bobina senza perograve indicare lunitagrave di misura di questi valori ed egrave per questo che il sismografo necessita di essere taratoI dati registrati da AmaSeisreg vanno convertiti utilizzando il software SeisGram2Kreg in formato testo In seguito vanno espressi sotto forma di grafico utilizzando ad esempio lapplicazione Numbersreg per poi essere analizzatiNon avendo lunitagrave di misura dei valori rilevati dalla scatola elettronica considererograve per ora lunitagrave di misura arbitraria ADU (analog-to-ditigal unit ovvero unitagrave analogica digitalizzata)Misurare la velocitagrave di spostamento del pendolo del sismografo egrave piugrave complesso vi sono infatti vari metodi per effettuare queste misurazioni Durante questo lavoro di maturitagrave ne ho presi in considerazione due utilizzare un sensore ad ultrasuoni ed un interferometro di Michelson

Utilizzo di un sensore ad ultrasuoniAllinizio del mio lavoro ho utilizzato un sensore ad ultrasuoni per misurare lo spostamento del pendolo del sismografo esso egrave molto facile da utilizzare in quanto egrave sufficiente collegarlo al computer tramite linterfaccia Pasco Workshopreg il software Pasco DataStudioreg si occupa di misurare la distanza fra il sensore ad ultrasuoni e loggetto ad esso piugrave vicino e tracciare il grafico dei rilevamentiAvendo questi dati sotto forma grafica egrave sufficiente trovare la pendenza della tangente al grafico in ogni punto per conoscere in ogni momento la velocitagrave istantanea con cui si sposta il pendoloIl problema di questo tipo di sensore egrave che ha una bassa sensibilitagrave la frequenza delle misurazioni puograve essere aumentata al massimo fino a 120 Hz che risultano essere insufficienti per misurare le piccolissime oscillazioni del pendolo di un sismografoIl funzionamento di un sensore ad ultrasuoni egrave molto semplice (si faccia riferimento alla figura 9) vi egrave un emettitore di ultrasuoni2 (il poligono rosso) puntato sulloggetto da analizzare (la circonferenza verde)Londa sonora prodotta dal sensore (gli archi di circonferenza viola) si propaga nellaria per un tempo t1 fincheacute non incontra un ostacolo che la riflette A questo punto ripercorre il tragitto in senso inverso fino a tornare al sensore (in blu) impiegando un tempo t2 = t1Il sensore registra il tempo ttot = t1 + t2 pari al tempo impiegato dallonda sonora per percorrere il tragitto sensore-oggetto-sensoreSiccome la velocitagrave di propagazione del suono vs nellaria egrave un valore conosciuto (~343 ms a seconda delle condizioni meteorologiche) egrave possibile determinare la distanza d delloggetto dal sensore ad ultrasuoni

d = ttot2vs

13 13

213gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza non percepibili dalluomo sono oltre il suono udibile

Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

13 14

Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

13 15

Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

13 17

La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

13 19

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Maggiore egrave la velocitagrave con cui si muove il terreno maggiore saragrave la velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete e di conseguenza anche la tensione generata avragrave un valore piugrave altoIl computer mostra sotto forma di grafico il valore della tensione rilevata che egrave o meglio si presume essere proporzionale alla velocitagrave relativa della bobina di rilevamento rispetto al magnete

La scatola elettronicaLa tensione in uscita dalla bobina di rilevamento egrave molto debole per questo motivo egrave necessario che il segnale analogico venga amplificato e digitalizzato dalla scatola elettronica la quale egrave collegata ad un alimentatore da 12 VEgrave possibile scegliere il fattore per cui il segnale debba essere amplificato utilizzando i due piccoli interruttori presenti sulla scatola elettronica (vedi figura 7 e tabella 1)

interruttore 1 interruttore 2 gainon on 100xoff on 200xoff off 500x

I dischi di ottoneAllestremitagrave dellasta di sostegno orizzontale sono posizionati due grossi dischi di ottone entrambi di massa 0973 kgLa funzione delle masse egrave quella di conferire inerzia al pendolo se non ci fossero i dischi (o se questi avessero una massa troppo piccola) il pendolo non oscillerebbe in modo regolare ma verrebbe influenzato enormemente anche da piccoli input esterni

Le aste di sostegnoLe due aste di sostegno (orizzontale e trasversale) sorreggono i dischi il magnete di rilevamento e la piastra di smorzamentoEsse si appoggiano alla struttura di sostegno in soli due punti (vedi figura 8) le aste non sono quindi fissate in nessun modo alla struttura di sostegno ma vi appoggiano unicamente grazie al loro pesoIl primo vantaggio egrave che appoggiando in due punti lattrito viene minimizzato

Figura 7 Questa immagine raffigura un lato della scatola elettronica si vede chiaramente il connettore per lingresso del segnale analogico e i due interruttori per la regolazione del fattore di amplificazione del segnale chiamato gain (impostato su 200x)

Tabella 1 La tabella indica il fattore per cui viene amplificato il segnale analogico in base alla posizione degli interruttori

13 9

Un altro vantaggio sta nel fatto che il pendolo si muove molto lentamente il periodo delloscillazione egrave cosigrave molto lungo (nel caso specifico puograve arrivare fino a 16 s)

Figura 8 In queste due immagini si puograve vedere il punto di contatto fra la parete verticale e lasta trasversale (a sinistra) e il punto di contatto fra la parete verticale e lasta orizzontale (a destra)

13 10

La messa in servizio del sismografo

Prima di iniziare a tarare o ad utilizzare un sismografo egrave necessario che esso sia perfettamente calibrato Con calibrato intendo dire che esso deve essere perfettamente a livello che il periodo di oscillazione del pendolo non sia neacute troppo corto neacute troppo lungo e che il magnete di smorzamento faccia il suo dovere senza smorzare eccessivamente loscillazione del pendoloEgrave molto importante che il sismografo non venga toccato durante la calibrazione la taratura e il periodo di utilizzo Inoltre esso va protetto dalle correnti daria infatti anche piccoli stimoli come laria mossa da una persona che cammina a qualche decina di centimetri di distanza possono influenzare la normale oscillazione del pendolo con il risultato di far registrare dei dati errati

Scelta del luogo dove installare il sismografoPer poter raccogliere dei dati corretti egrave importante scegliere con attenzione il luogo dove installare il sismografo Esso va posizionato su una superficie solida e stabile come ho avuto modo di notare durante la mia esperienza va assolutamente evitato di installare il sismografo su tavoli o supporti rialzatiPer prima cosa bisogna scegliere un edificio il piugrave lontano possibile da aeroporti ferrovie autostrade e cosigrave via In seguito bisogna trovare un locale tranquillo non accessibile a troppe persone possibilmente va scelto un locale interrato ed il piugrave vicino possibile alle fondamenta delledificio in questo modo si rilevano meno oscillazioni provocate dal vento dal traffico e da altre influenze artificiali indesiderateInoltre il pavimento di un locale vicino alle fondamenta egrave a diretto contatto con il terreno sottostante ledificio ed il sismografo puograve rilevare le vibrazioni del terreno in modo piugrave diretto

Messa a livelloUna volta scelto il luogo dove installare il sismografo esso va messo a livello per fare questo si utilizza la vite di livellamentoIl sismografo egrave a livello nel momento in cui il pendolo nella posizione di equilibrio (cioegrave quando si trova a metagrave delloscillazione) egrave parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno (vedi figura 5)Quando il sismografo sembra essere a livello egrave bene aspettare alcuni minuti affincheacute il pendolo regolarizzi il suo moto dopodicheacute egrave necessario verificare nuovamente che il pendolo nella posizione di equilibrio sia parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno per ottenere un buon risultato egrave necessario ripetere questa operazione piugrave volte

Spostare gli oggetti accanto al sismografoEgrave bene ricordarsi di spostare gli oggetti che si trovano accanto al sismografo e che potrebbero ostacolarne loscillazione ed impedirne il corretto funzionamentoIn modo particolare egrave necessario assicurarsi che i fili collegati alla bobina di rilevamento corrano lontani dalle parti in movimento essi si trovano infatti a pochi centimetri di distanza dai dischi ed egrave facile che li sfiorino alterando non di poco i dati raccolti

Riparare il sismografo dalle influenze indesiderateDopo aver preparato il sismografo egrave necessario che esso venga protetto da tutto ciograve che puograve influenzarne il corretto funzionamento come ad esempio correnti daria o spifferi per quanto deboli e ininfluenti possano sembrarePer fare questo egrave sufficiente coprire il sismografo con una scatola o avvicinargli degli oggetti che lo proteggano dai movimenti daria

13 11

Inoltre soprattutto lavorando in una scuola frequentata da molti studenti egrave bene ostacolare laccesso alle apparecchiature utilizzate in modo tale che nessuno possa toccare o spostare gli strumenti nei momenti in cui essi non sono sorvegliatiDurante lesecuzione della mia esperienza non ho potuto coprire il sismografo percheacute attorno ad esso vi sono svariate apparecchiature ed il tutto egrave stato installato in un piccolo locale Inoltre durante la raccolta dei dati egrave spesso necessario avvicinarsi al sismografo per dare degli input e correggere delle regolazioni se il sismografo fosse coperto da una scatola sarebbe necessario toglierla e rimetterla in continuazione provocando un notevole spostamento daria vanificando quindi lutilitagrave di questa protezioneCiononostante tutti i dati sono stati raccolti nella maggior tranquillitagrave possibile nel locale dove ho eseguito lesperienza non vi erano correnti daria e ogni movimento che ho fatto egrave stato curato per non destabilizzare il sismografoPrima di iniziare la registrazione dei dati utilizzati per effettuare le analisi sono sempre stato fermo alcuni minuti per assicurarmi che il sismografo non fosse influenzato dai miei movimenti precedenti

13 12

Metodi di taratura del sismografo

Tarare un sismografo significa mettere in relazione lo spostamento del terreno con la tensione in uscita dalla bobina di rilevamentoIl sismografo che ho utilizzato per questesperienza misura la velocitagrave con cui si muove il terreno perciograve dovrograve misurare questa velocitagrave e la tensione generata dalla bobina di rilevamento in seguito dovrograve mettere in relazione i due valoriLa bobina di rilevamento tramite la scatola elettronica egrave collegata al computer in cui egrave installato il software IRIS AmaSeisreg che si occupa di registrare ed elaborare i dati rilevati con una frequenza di 20 HzQuesto software mostra il grafico al passare del tempo della tensione generatasi nella bobina senza perograve indicare lunitagrave di misura di questi valori ed egrave per questo che il sismografo necessita di essere taratoI dati registrati da AmaSeisreg vanno convertiti utilizzando il software SeisGram2Kreg in formato testo In seguito vanno espressi sotto forma di grafico utilizzando ad esempio lapplicazione Numbersreg per poi essere analizzatiNon avendo lunitagrave di misura dei valori rilevati dalla scatola elettronica considererograve per ora lunitagrave di misura arbitraria ADU (analog-to-ditigal unit ovvero unitagrave analogica digitalizzata)Misurare la velocitagrave di spostamento del pendolo del sismografo egrave piugrave complesso vi sono infatti vari metodi per effettuare queste misurazioni Durante questo lavoro di maturitagrave ne ho presi in considerazione due utilizzare un sensore ad ultrasuoni ed un interferometro di Michelson

Utilizzo di un sensore ad ultrasuoniAllinizio del mio lavoro ho utilizzato un sensore ad ultrasuoni per misurare lo spostamento del pendolo del sismografo esso egrave molto facile da utilizzare in quanto egrave sufficiente collegarlo al computer tramite linterfaccia Pasco Workshopreg il software Pasco DataStudioreg si occupa di misurare la distanza fra il sensore ad ultrasuoni e loggetto ad esso piugrave vicino e tracciare il grafico dei rilevamentiAvendo questi dati sotto forma grafica egrave sufficiente trovare la pendenza della tangente al grafico in ogni punto per conoscere in ogni momento la velocitagrave istantanea con cui si sposta il pendoloIl problema di questo tipo di sensore egrave che ha una bassa sensibilitagrave la frequenza delle misurazioni puograve essere aumentata al massimo fino a 120 Hz che risultano essere insufficienti per misurare le piccolissime oscillazioni del pendolo di un sismografoIl funzionamento di un sensore ad ultrasuoni egrave molto semplice (si faccia riferimento alla figura 9) vi egrave un emettitore di ultrasuoni2 (il poligono rosso) puntato sulloggetto da analizzare (la circonferenza verde)Londa sonora prodotta dal sensore (gli archi di circonferenza viola) si propaga nellaria per un tempo t1 fincheacute non incontra un ostacolo che la riflette A questo punto ripercorre il tragitto in senso inverso fino a tornare al sensore (in blu) impiegando un tempo t2 = t1Il sensore registra il tempo ttot = t1 + t2 pari al tempo impiegato dallonda sonora per percorrere il tragitto sensore-oggetto-sensoreSiccome la velocitagrave di propagazione del suono vs nellaria egrave un valore conosciuto (~343 ms a seconda delle condizioni meteorologiche) egrave possibile determinare la distanza d delloggetto dal sensore ad ultrasuoni

d = ttot2vs

13 13

213gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza non percepibili dalluomo sono oltre il suono udibile

Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

13 14

Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

13 15

Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

13 17

La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

13 19

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Un altro vantaggio sta nel fatto che il pendolo si muove molto lentamente il periodo delloscillazione egrave cosigrave molto lungo (nel caso specifico puograve arrivare fino a 16 s)

Figura 8 In queste due immagini si puograve vedere il punto di contatto fra la parete verticale e lasta trasversale (a sinistra) e il punto di contatto fra la parete verticale e lasta orizzontale (a destra)

13 10

La messa in servizio del sismografo

Prima di iniziare a tarare o ad utilizzare un sismografo egrave necessario che esso sia perfettamente calibrato Con calibrato intendo dire che esso deve essere perfettamente a livello che il periodo di oscillazione del pendolo non sia neacute troppo corto neacute troppo lungo e che il magnete di smorzamento faccia il suo dovere senza smorzare eccessivamente loscillazione del pendoloEgrave molto importante che il sismografo non venga toccato durante la calibrazione la taratura e il periodo di utilizzo Inoltre esso va protetto dalle correnti daria infatti anche piccoli stimoli come laria mossa da una persona che cammina a qualche decina di centimetri di distanza possono influenzare la normale oscillazione del pendolo con il risultato di far registrare dei dati errati

Scelta del luogo dove installare il sismografoPer poter raccogliere dei dati corretti egrave importante scegliere con attenzione il luogo dove installare il sismografo Esso va posizionato su una superficie solida e stabile come ho avuto modo di notare durante la mia esperienza va assolutamente evitato di installare il sismografo su tavoli o supporti rialzatiPer prima cosa bisogna scegliere un edificio il piugrave lontano possibile da aeroporti ferrovie autostrade e cosigrave via In seguito bisogna trovare un locale tranquillo non accessibile a troppe persone possibilmente va scelto un locale interrato ed il piugrave vicino possibile alle fondamenta delledificio in questo modo si rilevano meno oscillazioni provocate dal vento dal traffico e da altre influenze artificiali indesiderateInoltre il pavimento di un locale vicino alle fondamenta egrave a diretto contatto con il terreno sottostante ledificio ed il sismografo puograve rilevare le vibrazioni del terreno in modo piugrave diretto

Messa a livelloUna volta scelto il luogo dove installare il sismografo esso va messo a livello per fare questo si utilizza la vite di livellamentoIl sismografo egrave a livello nel momento in cui il pendolo nella posizione di equilibrio (cioegrave quando si trova a metagrave delloscillazione) egrave parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno (vedi figura 5)Quando il sismografo sembra essere a livello egrave bene aspettare alcuni minuti affincheacute il pendolo regolarizzi il suo moto dopodicheacute egrave necessario verificare nuovamente che il pendolo nella posizione di equilibrio sia parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno per ottenere un buon risultato egrave necessario ripetere questa operazione piugrave volte

Spostare gli oggetti accanto al sismografoEgrave bene ricordarsi di spostare gli oggetti che si trovano accanto al sismografo e che potrebbero ostacolarne loscillazione ed impedirne il corretto funzionamentoIn modo particolare egrave necessario assicurarsi che i fili collegati alla bobina di rilevamento corrano lontani dalle parti in movimento essi si trovano infatti a pochi centimetri di distanza dai dischi ed egrave facile che li sfiorino alterando non di poco i dati raccolti

Riparare il sismografo dalle influenze indesiderateDopo aver preparato il sismografo egrave necessario che esso venga protetto da tutto ciograve che puograve influenzarne il corretto funzionamento come ad esempio correnti daria o spifferi per quanto deboli e ininfluenti possano sembrarePer fare questo egrave sufficiente coprire il sismografo con una scatola o avvicinargli degli oggetti che lo proteggano dai movimenti daria

13 11

Inoltre soprattutto lavorando in una scuola frequentata da molti studenti egrave bene ostacolare laccesso alle apparecchiature utilizzate in modo tale che nessuno possa toccare o spostare gli strumenti nei momenti in cui essi non sono sorvegliatiDurante lesecuzione della mia esperienza non ho potuto coprire il sismografo percheacute attorno ad esso vi sono svariate apparecchiature ed il tutto egrave stato installato in un piccolo locale Inoltre durante la raccolta dei dati egrave spesso necessario avvicinarsi al sismografo per dare degli input e correggere delle regolazioni se il sismografo fosse coperto da una scatola sarebbe necessario toglierla e rimetterla in continuazione provocando un notevole spostamento daria vanificando quindi lutilitagrave di questa protezioneCiononostante tutti i dati sono stati raccolti nella maggior tranquillitagrave possibile nel locale dove ho eseguito lesperienza non vi erano correnti daria e ogni movimento che ho fatto egrave stato curato per non destabilizzare il sismografoPrima di iniziare la registrazione dei dati utilizzati per effettuare le analisi sono sempre stato fermo alcuni minuti per assicurarmi che il sismografo non fosse influenzato dai miei movimenti precedenti

13 12

Metodi di taratura del sismografo

Tarare un sismografo significa mettere in relazione lo spostamento del terreno con la tensione in uscita dalla bobina di rilevamentoIl sismografo che ho utilizzato per questesperienza misura la velocitagrave con cui si muove il terreno perciograve dovrograve misurare questa velocitagrave e la tensione generata dalla bobina di rilevamento in seguito dovrograve mettere in relazione i due valoriLa bobina di rilevamento tramite la scatola elettronica egrave collegata al computer in cui egrave installato il software IRIS AmaSeisreg che si occupa di registrare ed elaborare i dati rilevati con una frequenza di 20 HzQuesto software mostra il grafico al passare del tempo della tensione generatasi nella bobina senza perograve indicare lunitagrave di misura di questi valori ed egrave per questo che il sismografo necessita di essere taratoI dati registrati da AmaSeisreg vanno convertiti utilizzando il software SeisGram2Kreg in formato testo In seguito vanno espressi sotto forma di grafico utilizzando ad esempio lapplicazione Numbersreg per poi essere analizzatiNon avendo lunitagrave di misura dei valori rilevati dalla scatola elettronica considererograve per ora lunitagrave di misura arbitraria ADU (analog-to-ditigal unit ovvero unitagrave analogica digitalizzata)Misurare la velocitagrave di spostamento del pendolo del sismografo egrave piugrave complesso vi sono infatti vari metodi per effettuare queste misurazioni Durante questo lavoro di maturitagrave ne ho presi in considerazione due utilizzare un sensore ad ultrasuoni ed un interferometro di Michelson

Utilizzo di un sensore ad ultrasuoniAllinizio del mio lavoro ho utilizzato un sensore ad ultrasuoni per misurare lo spostamento del pendolo del sismografo esso egrave molto facile da utilizzare in quanto egrave sufficiente collegarlo al computer tramite linterfaccia Pasco Workshopreg il software Pasco DataStudioreg si occupa di misurare la distanza fra il sensore ad ultrasuoni e loggetto ad esso piugrave vicino e tracciare il grafico dei rilevamentiAvendo questi dati sotto forma grafica egrave sufficiente trovare la pendenza della tangente al grafico in ogni punto per conoscere in ogni momento la velocitagrave istantanea con cui si sposta il pendoloIl problema di questo tipo di sensore egrave che ha una bassa sensibilitagrave la frequenza delle misurazioni puograve essere aumentata al massimo fino a 120 Hz che risultano essere insufficienti per misurare le piccolissime oscillazioni del pendolo di un sismografoIl funzionamento di un sensore ad ultrasuoni egrave molto semplice (si faccia riferimento alla figura 9) vi egrave un emettitore di ultrasuoni2 (il poligono rosso) puntato sulloggetto da analizzare (la circonferenza verde)Londa sonora prodotta dal sensore (gli archi di circonferenza viola) si propaga nellaria per un tempo t1 fincheacute non incontra un ostacolo che la riflette A questo punto ripercorre il tragitto in senso inverso fino a tornare al sensore (in blu) impiegando un tempo t2 = t1Il sensore registra il tempo ttot = t1 + t2 pari al tempo impiegato dallonda sonora per percorrere il tragitto sensore-oggetto-sensoreSiccome la velocitagrave di propagazione del suono vs nellaria egrave un valore conosciuto (~343 ms a seconda delle condizioni meteorologiche) egrave possibile determinare la distanza d delloggetto dal sensore ad ultrasuoni

d = ttot2vs

13 13

213gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza non percepibili dalluomo sono oltre il suono udibile

Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

13 14

Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

13 15

Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

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La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

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La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

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313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

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Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

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Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

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Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

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Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

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Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

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Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

La messa in servizio del sismografo

Prima di iniziare a tarare o ad utilizzare un sismografo egrave necessario che esso sia perfettamente calibrato Con calibrato intendo dire che esso deve essere perfettamente a livello che il periodo di oscillazione del pendolo non sia neacute troppo corto neacute troppo lungo e che il magnete di smorzamento faccia il suo dovere senza smorzare eccessivamente loscillazione del pendoloEgrave molto importante che il sismografo non venga toccato durante la calibrazione la taratura e il periodo di utilizzo Inoltre esso va protetto dalle correnti daria infatti anche piccoli stimoli come laria mossa da una persona che cammina a qualche decina di centimetri di distanza possono influenzare la normale oscillazione del pendolo con il risultato di far registrare dei dati errati

Scelta del luogo dove installare il sismografoPer poter raccogliere dei dati corretti egrave importante scegliere con attenzione il luogo dove installare il sismografo Esso va posizionato su una superficie solida e stabile come ho avuto modo di notare durante la mia esperienza va assolutamente evitato di installare il sismografo su tavoli o supporti rialzatiPer prima cosa bisogna scegliere un edificio il piugrave lontano possibile da aeroporti ferrovie autostrade e cosigrave via In seguito bisogna trovare un locale tranquillo non accessibile a troppe persone possibilmente va scelto un locale interrato ed il piugrave vicino possibile alle fondamenta delledificio in questo modo si rilevano meno oscillazioni provocate dal vento dal traffico e da altre influenze artificiali indesiderateInoltre il pavimento di un locale vicino alle fondamenta egrave a diretto contatto con il terreno sottostante ledificio ed il sismografo puograve rilevare le vibrazioni del terreno in modo piugrave diretto

Messa a livelloUna volta scelto il luogo dove installare il sismografo esso va messo a livello per fare questo si utilizza la vite di livellamentoIl sismografo egrave a livello nel momento in cui il pendolo nella posizione di equilibrio (cioegrave quando si trova a metagrave delloscillazione) egrave parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno (vedi figura 5)Quando il sismografo sembra essere a livello egrave bene aspettare alcuni minuti affincheacute il pendolo regolarizzi il suo moto dopodicheacute egrave necessario verificare nuovamente che il pendolo nella posizione di equilibrio sia parallelo alla tavola orizzontale della struttura di sostegno per ottenere un buon risultato egrave necessario ripetere questa operazione piugrave volte

Spostare gli oggetti accanto al sismografoEgrave bene ricordarsi di spostare gli oggetti che si trovano accanto al sismografo e che potrebbero ostacolarne loscillazione ed impedirne il corretto funzionamentoIn modo particolare egrave necessario assicurarsi che i fili collegati alla bobina di rilevamento corrano lontani dalle parti in movimento essi si trovano infatti a pochi centimetri di distanza dai dischi ed egrave facile che li sfiorino alterando non di poco i dati raccolti

Riparare il sismografo dalle influenze indesiderateDopo aver preparato il sismografo egrave necessario che esso venga protetto da tutto ciograve che puograve influenzarne il corretto funzionamento come ad esempio correnti daria o spifferi per quanto deboli e ininfluenti possano sembrarePer fare questo egrave sufficiente coprire il sismografo con una scatola o avvicinargli degli oggetti che lo proteggano dai movimenti daria

13 11

Inoltre soprattutto lavorando in una scuola frequentata da molti studenti egrave bene ostacolare laccesso alle apparecchiature utilizzate in modo tale che nessuno possa toccare o spostare gli strumenti nei momenti in cui essi non sono sorvegliatiDurante lesecuzione della mia esperienza non ho potuto coprire il sismografo percheacute attorno ad esso vi sono svariate apparecchiature ed il tutto egrave stato installato in un piccolo locale Inoltre durante la raccolta dei dati egrave spesso necessario avvicinarsi al sismografo per dare degli input e correggere delle regolazioni se il sismografo fosse coperto da una scatola sarebbe necessario toglierla e rimetterla in continuazione provocando un notevole spostamento daria vanificando quindi lutilitagrave di questa protezioneCiononostante tutti i dati sono stati raccolti nella maggior tranquillitagrave possibile nel locale dove ho eseguito lesperienza non vi erano correnti daria e ogni movimento che ho fatto egrave stato curato per non destabilizzare il sismografoPrima di iniziare la registrazione dei dati utilizzati per effettuare le analisi sono sempre stato fermo alcuni minuti per assicurarmi che il sismografo non fosse influenzato dai miei movimenti precedenti

13 12

Metodi di taratura del sismografo

Tarare un sismografo significa mettere in relazione lo spostamento del terreno con la tensione in uscita dalla bobina di rilevamentoIl sismografo che ho utilizzato per questesperienza misura la velocitagrave con cui si muove il terreno perciograve dovrograve misurare questa velocitagrave e la tensione generata dalla bobina di rilevamento in seguito dovrograve mettere in relazione i due valoriLa bobina di rilevamento tramite la scatola elettronica egrave collegata al computer in cui egrave installato il software IRIS AmaSeisreg che si occupa di registrare ed elaborare i dati rilevati con una frequenza di 20 HzQuesto software mostra il grafico al passare del tempo della tensione generatasi nella bobina senza perograve indicare lunitagrave di misura di questi valori ed egrave per questo che il sismografo necessita di essere taratoI dati registrati da AmaSeisreg vanno convertiti utilizzando il software SeisGram2Kreg in formato testo In seguito vanno espressi sotto forma di grafico utilizzando ad esempio lapplicazione Numbersreg per poi essere analizzatiNon avendo lunitagrave di misura dei valori rilevati dalla scatola elettronica considererograve per ora lunitagrave di misura arbitraria ADU (analog-to-ditigal unit ovvero unitagrave analogica digitalizzata)Misurare la velocitagrave di spostamento del pendolo del sismografo egrave piugrave complesso vi sono infatti vari metodi per effettuare queste misurazioni Durante questo lavoro di maturitagrave ne ho presi in considerazione due utilizzare un sensore ad ultrasuoni ed un interferometro di Michelson

Utilizzo di un sensore ad ultrasuoniAllinizio del mio lavoro ho utilizzato un sensore ad ultrasuoni per misurare lo spostamento del pendolo del sismografo esso egrave molto facile da utilizzare in quanto egrave sufficiente collegarlo al computer tramite linterfaccia Pasco Workshopreg il software Pasco DataStudioreg si occupa di misurare la distanza fra il sensore ad ultrasuoni e loggetto ad esso piugrave vicino e tracciare il grafico dei rilevamentiAvendo questi dati sotto forma grafica egrave sufficiente trovare la pendenza della tangente al grafico in ogni punto per conoscere in ogni momento la velocitagrave istantanea con cui si sposta il pendoloIl problema di questo tipo di sensore egrave che ha una bassa sensibilitagrave la frequenza delle misurazioni puograve essere aumentata al massimo fino a 120 Hz che risultano essere insufficienti per misurare le piccolissime oscillazioni del pendolo di un sismografoIl funzionamento di un sensore ad ultrasuoni egrave molto semplice (si faccia riferimento alla figura 9) vi egrave un emettitore di ultrasuoni2 (il poligono rosso) puntato sulloggetto da analizzare (la circonferenza verde)Londa sonora prodotta dal sensore (gli archi di circonferenza viola) si propaga nellaria per un tempo t1 fincheacute non incontra un ostacolo che la riflette A questo punto ripercorre il tragitto in senso inverso fino a tornare al sensore (in blu) impiegando un tempo t2 = t1Il sensore registra il tempo ttot = t1 + t2 pari al tempo impiegato dallonda sonora per percorrere il tragitto sensore-oggetto-sensoreSiccome la velocitagrave di propagazione del suono vs nellaria egrave un valore conosciuto (~343 ms a seconda delle condizioni meteorologiche) egrave possibile determinare la distanza d delloggetto dal sensore ad ultrasuoni

d = ttot2vs

13 13

213gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza non percepibili dalluomo sono oltre il suono udibile

Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

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Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

13 15

Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

13 17

La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

13 19

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Inoltre soprattutto lavorando in una scuola frequentata da molti studenti egrave bene ostacolare laccesso alle apparecchiature utilizzate in modo tale che nessuno possa toccare o spostare gli strumenti nei momenti in cui essi non sono sorvegliatiDurante lesecuzione della mia esperienza non ho potuto coprire il sismografo percheacute attorno ad esso vi sono svariate apparecchiature ed il tutto egrave stato installato in un piccolo locale Inoltre durante la raccolta dei dati egrave spesso necessario avvicinarsi al sismografo per dare degli input e correggere delle regolazioni se il sismografo fosse coperto da una scatola sarebbe necessario toglierla e rimetterla in continuazione provocando un notevole spostamento daria vanificando quindi lutilitagrave di questa protezioneCiononostante tutti i dati sono stati raccolti nella maggior tranquillitagrave possibile nel locale dove ho eseguito lesperienza non vi erano correnti daria e ogni movimento che ho fatto egrave stato curato per non destabilizzare il sismografoPrima di iniziare la registrazione dei dati utilizzati per effettuare le analisi sono sempre stato fermo alcuni minuti per assicurarmi che il sismografo non fosse influenzato dai miei movimenti precedenti

13 12

Metodi di taratura del sismografo

Tarare un sismografo significa mettere in relazione lo spostamento del terreno con la tensione in uscita dalla bobina di rilevamentoIl sismografo che ho utilizzato per questesperienza misura la velocitagrave con cui si muove il terreno perciograve dovrograve misurare questa velocitagrave e la tensione generata dalla bobina di rilevamento in seguito dovrograve mettere in relazione i due valoriLa bobina di rilevamento tramite la scatola elettronica egrave collegata al computer in cui egrave installato il software IRIS AmaSeisreg che si occupa di registrare ed elaborare i dati rilevati con una frequenza di 20 HzQuesto software mostra il grafico al passare del tempo della tensione generatasi nella bobina senza perograve indicare lunitagrave di misura di questi valori ed egrave per questo che il sismografo necessita di essere taratoI dati registrati da AmaSeisreg vanno convertiti utilizzando il software SeisGram2Kreg in formato testo In seguito vanno espressi sotto forma di grafico utilizzando ad esempio lapplicazione Numbersreg per poi essere analizzatiNon avendo lunitagrave di misura dei valori rilevati dalla scatola elettronica considererograve per ora lunitagrave di misura arbitraria ADU (analog-to-ditigal unit ovvero unitagrave analogica digitalizzata)Misurare la velocitagrave di spostamento del pendolo del sismografo egrave piugrave complesso vi sono infatti vari metodi per effettuare queste misurazioni Durante questo lavoro di maturitagrave ne ho presi in considerazione due utilizzare un sensore ad ultrasuoni ed un interferometro di Michelson

Utilizzo di un sensore ad ultrasuoniAllinizio del mio lavoro ho utilizzato un sensore ad ultrasuoni per misurare lo spostamento del pendolo del sismografo esso egrave molto facile da utilizzare in quanto egrave sufficiente collegarlo al computer tramite linterfaccia Pasco Workshopreg il software Pasco DataStudioreg si occupa di misurare la distanza fra il sensore ad ultrasuoni e loggetto ad esso piugrave vicino e tracciare il grafico dei rilevamentiAvendo questi dati sotto forma grafica egrave sufficiente trovare la pendenza della tangente al grafico in ogni punto per conoscere in ogni momento la velocitagrave istantanea con cui si sposta il pendoloIl problema di questo tipo di sensore egrave che ha una bassa sensibilitagrave la frequenza delle misurazioni puograve essere aumentata al massimo fino a 120 Hz che risultano essere insufficienti per misurare le piccolissime oscillazioni del pendolo di un sismografoIl funzionamento di un sensore ad ultrasuoni egrave molto semplice (si faccia riferimento alla figura 9) vi egrave un emettitore di ultrasuoni2 (il poligono rosso) puntato sulloggetto da analizzare (la circonferenza verde)Londa sonora prodotta dal sensore (gli archi di circonferenza viola) si propaga nellaria per un tempo t1 fincheacute non incontra un ostacolo che la riflette A questo punto ripercorre il tragitto in senso inverso fino a tornare al sensore (in blu) impiegando un tempo t2 = t1Il sensore registra il tempo ttot = t1 + t2 pari al tempo impiegato dallonda sonora per percorrere il tragitto sensore-oggetto-sensoreSiccome la velocitagrave di propagazione del suono vs nellaria egrave un valore conosciuto (~343 ms a seconda delle condizioni meteorologiche) egrave possibile determinare la distanza d delloggetto dal sensore ad ultrasuoni

d = ttot2vs

13 13

213gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza non percepibili dalluomo sono oltre il suono udibile

Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

13 14

Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

13 15

Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

13 17

La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

13 19

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

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13 54

Metodi di taratura del sismografo

Tarare un sismografo significa mettere in relazione lo spostamento del terreno con la tensione in uscita dalla bobina di rilevamentoIl sismografo che ho utilizzato per questesperienza misura la velocitagrave con cui si muove il terreno perciograve dovrograve misurare questa velocitagrave e la tensione generata dalla bobina di rilevamento in seguito dovrograve mettere in relazione i due valoriLa bobina di rilevamento tramite la scatola elettronica egrave collegata al computer in cui egrave installato il software IRIS AmaSeisreg che si occupa di registrare ed elaborare i dati rilevati con una frequenza di 20 HzQuesto software mostra il grafico al passare del tempo della tensione generatasi nella bobina senza perograve indicare lunitagrave di misura di questi valori ed egrave per questo che il sismografo necessita di essere taratoI dati registrati da AmaSeisreg vanno convertiti utilizzando il software SeisGram2Kreg in formato testo In seguito vanno espressi sotto forma di grafico utilizzando ad esempio lapplicazione Numbersreg per poi essere analizzatiNon avendo lunitagrave di misura dei valori rilevati dalla scatola elettronica considererograve per ora lunitagrave di misura arbitraria ADU (analog-to-ditigal unit ovvero unitagrave analogica digitalizzata)Misurare la velocitagrave di spostamento del pendolo del sismografo egrave piugrave complesso vi sono infatti vari metodi per effettuare queste misurazioni Durante questo lavoro di maturitagrave ne ho presi in considerazione due utilizzare un sensore ad ultrasuoni ed un interferometro di Michelson

Utilizzo di un sensore ad ultrasuoniAllinizio del mio lavoro ho utilizzato un sensore ad ultrasuoni per misurare lo spostamento del pendolo del sismografo esso egrave molto facile da utilizzare in quanto egrave sufficiente collegarlo al computer tramite linterfaccia Pasco Workshopreg il software Pasco DataStudioreg si occupa di misurare la distanza fra il sensore ad ultrasuoni e loggetto ad esso piugrave vicino e tracciare il grafico dei rilevamentiAvendo questi dati sotto forma grafica egrave sufficiente trovare la pendenza della tangente al grafico in ogni punto per conoscere in ogni momento la velocitagrave istantanea con cui si sposta il pendoloIl problema di questo tipo di sensore egrave che ha una bassa sensibilitagrave la frequenza delle misurazioni puograve essere aumentata al massimo fino a 120 Hz che risultano essere insufficienti per misurare le piccolissime oscillazioni del pendolo di un sismografoIl funzionamento di un sensore ad ultrasuoni egrave molto semplice (si faccia riferimento alla figura 9) vi egrave un emettitore di ultrasuoni2 (il poligono rosso) puntato sulloggetto da analizzare (la circonferenza verde)Londa sonora prodotta dal sensore (gli archi di circonferenza viola) si propaga nellaria per un tempo t1 fincheacute non incontra un ostacolo che la riflette A questo punto ripercorre il tragitto in senso inverso fino a tornare al sensore (in blu) impiegando un tempo t2 = t1Il sensore registra il tempo ttot = t1 + t2 pari al tempo impiegato dallonda sonora per percorrere il tragitto sensore-oggetto-sensoreSiccome la velocitagrave di propagazione del suono vs nellaria egrave un valore conosciuto (~343 ms a seconda delle condizioni meteorologiche) egrave possibile determinare la distanza d delloggetto dal sensore ad ultrasuoni

d = ttot2vs

13 13

213gli ultrasuoni sono onde sonore ad alta frequenza non percepibili dalluomo sono oltre il suono udibile

Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

13 14

Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

13 15

Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

13 17

La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

13 19

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

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Utilizzo di un interferometro di MichelsonLinterferometro di Michelson egrave unapparecchiatura che sfrutta la riflessione della luce e il fenomeno dellinterferenza per misurare ad esempio delle distanzePer seguire le spiegazioni presenti in questo paragrafo riguardanti il funzionamento dellinterferometro di Michelson si faccia riferimento alla figura 10Nel punto 1 vi egrave un emettitore laser Il raggio da esso generato passa attraverso una lente biconvessa (punto 2) che lo allargaQuando il raggio colpisce lo specchio semiriflettente (punto 3) esso viene diviso in due parti il 50 viene riflesso verso il punto 4 il restante 50 viene rifratto verso il punto 5Nei punti 4 e 5 vi sono degli specchi che riflettono la luce in questo modo entrambi i fasci tornano a colpire lo specchio nel punto 3 dove ancora una volta vengono divisi ma per i nostri scopi egrave sufficiente sapere cosa accade alle componenti che vengono riflesse verso il punto 6 dove si trova solitamente uno schermo su cui i due fasci di luce si sovrappongono ed egrave possibile vedere il risultato dellinterferenza creatasiLinterferometro di Michelson egrave uno strumento altamente preciso i fattori che ne determinano la precisione sono la lunghezza donda della luce e le apparecchiature utilizzate per rilevare il segnale arrivato sullo schermo

Figura 9 Schema del funzionamento di un sensore ad ultrasuoni

Figura 10 Componenti dellinterferometro di Michelson 1 emettitore laser 2 lente con relativo sostegno 3 specchio semiriflettente 4 specchio fisso riflettente 5 specchio mobile riflettente 6 schermo

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Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

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Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

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La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

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La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

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313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

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Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

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513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

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Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

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613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

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Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

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Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

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713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Scelta del metodo da utilizzarePer scegliere il metodo da utilizzare in questa esperienza ho considerato molti aspetti positivi e negativi di queste strumentazioni fra i qualibull il sensore ad ultrasuoni non necessita di grossi preparativi prima di iniziare a registrare i dati egrave

sufficiente utilizzare DataStudioreg per calibrarlo (per compensare le variazioni delle condizioni meteorologiche che influiscono sulla velocitagrave del suono nellaria) egrave cosigrave possibile iniziare velocemente la raccolta dei dati

bull ho effettuato alcune misurazioni con il sensore ad ultrasuoni e mi sono accorto che la frequenza di 120 Hz delle misurazioni risulta essere nettamente insufficiente per avere dei dati attendibili su cui lavorare

bull per utilizzare linterferometro di Michelson vanno sempre regolate la direzione del raggio laser e la posizione del sensore che rileva linterferenza delle onde questa operazione egrave molto delicata e per questo richiede molto tempo ogni volta che si va in laboratorio

bull il raggio laser deve colpire lo specchio semiriflettente con la giusta angolazione Siccome il laser viene riflesso piugrave volte se esso colpisce inizialmente lo specchio nel punto 3 con unangolazione leggermente piugrave ampia o piugrave stretta del dovuto ad ogni riflessione questo errore viene amplificato e i due raggi non colpiranno lo schermo nello stesso punto in questo modo non egrave possibile ottenere dati utili

bull lutilizzo dellinterferometro di Michelson permette di ottenere dei dati sufficientemente precisi in modo da cogliere piccoli movimenti del pendolo

Considerati questi aspetti ho deciso di utilizzare linterferometro di Michelson per misurare la velocitagrave con cui si muove il pendolo del sismografo prediligendo la qualitagrave e laffidabilitagrave dei dati raccolti

13 15

Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

13 17

La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

13 19

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Linterferenza elettromagnetica

Siccome per misurare lo spostamento del pendolo ho scelto di utilizzare linterferometro di Michelson egrave necessario conoscere il funzionamento del modello ondulatorio e il concetto di interferenza elettromagnetica

La luceLa luce egrave unonda elettromagnetica una forma di energia che si propaga nello spazio seguendo il modello ondulatorioUtilizzando le funzioni trigonometriche egrave possibile descrivere il comportamento dellonda al passare del tempo

Interferenza fra due ondeQuando due onde si trovano nello stesso luogo allo stesso istante interferiscono fra loro ed il risultato che si puograve osservare egrave unonda differente da quelle di partenza ma che dipende da esse Egrave possibile determinare la funzione che descrive questonda semplicemente sommando le funzioni che descrivono le due onde inizialiGraficamente egrave molto facile capire questo fenomeno nella figura 11 si puograve vedere un esempio di somma di onde (interferenza di due onde) la curva rossa e la curva blu rappresentano le funzioni che descrivono le onde di partenza mentre la curva verde rappresenta la funzione derivante dalla loro sommaDi particolare interesse per la mia esperienza egrave conoscere la posizione dei punti marroni e dei punti viola che corrispondono rispettivamente alle creste (i punti che assumono il valore massimo) e agli avvallamenti (i punti che assumono il valore minimo) dellonda La distanza λ fra due creste o due avvallamenti adiacenti egrave detta lunghezza donda il tempo che trascorre fra questi due punti egrave il periodo delloscillazione

Per capire quando si possono ritrovare queste due situazioni egrave utile osservare le figure 12 e 13

Figura 11 Esempio di interferenza fra due onde londa verde egrave la somma dellonda rossa e dellonda blu

Figura 12 Esempio di interferenza distruttiva fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda

13 16

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

13 17

La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

13 19

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

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13 54

La figura 12 rappresenta linterferenza fra due onde uguali ma sfasate di mezza lunghezza donda o meglio rappresenta i grafici di due funzioni f(x) che sono luna linverso dellaltra Pertanto i valori della funzione ottenuta sommando queste due funzioni saranno sempre nulli infatti la funzione verde g(x) puograve essere rappresentata da

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente distruttiva in quanto annulla tutti i punti del graficoLa figura 13 rappresenta invece linterferenza fra due onde uguali ed in fase i valori delle ordinate dellonda verde sono esattamente il doppio rispetto a quelli dellonda rossa e dellonda blu

Questo tipo di interferenza egrave chiamata interferenza perfettamente costruttiva in quanto aumenta sempre i valori delle funzioni di partenza e non annulla mai nessun punto (eccetto i punti nulli giagrave nelle funzioni di partenza)

Utilizzando questo principio egrave possibile sommare fra loro piugrave onde ma per comprendere la mia esperienza egrave sufficiente sommarne due

Figura 13 Esempio di interferenza costruttiva fra due onde uguali ed in fase (le onde rosse e blu sono sovrapposte)

g(x) = f (x)+ (minus f (x)) = f (x)minus f (x) = 0

g(x) = f (x)+ f (x) = 2 f (x)

13 17

La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

13 19

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

La raccolta dei dati

Preparazione delle apparecchiatureInnanzitutto egrave necessario fissare lo specchio mobile al sismografo Per fare questo ho sfruttato un buco filettato presente sul disco di ottone piugrave esterno e ho fissato lo specchio utilizzando una vite (vedi figura 14)

Ora il sismografo va posizionato accanto allinterferometro di Michelson in modo tale che il raggio laser colpisca lo specchietto appena preparatoPer poter registrare lintensitagrave luminosa nel punto in cui i due fasci di luce si sovrappongono sostituisco lo schermo con un sensore di intensitagrave luminosa (vedi figura 15) Utilizzando il software DataStudioreg che mostra sotto forma di grafico lintensitagrave della luce che colpisce il sensore al passare del tempo egrave possibile sapere quando i due fasci si sovrappongono creando uninterferenza costruttiva e quando invece creano uninterferenza distruttiva

Il sensore viene posizionato ad una distanza di circa 4 m dallinterferometro in modo tale che il raggio laser possa allargarsi abbastanza da colpirne per intero limboccatura Ora tutti gli strumenti si trovano nella posizione corretta la figura 16 mostra uno schema della situazione

Figura 14 Limmagine raffigura lo specchio mobile dellinterferometro di Michelson fissato su uno dei due dischi di ottone del pendolo

Figura 15 Limmagine raffigura il sensore dintensitagrave luminosa fissato al supporto di sostegno I dati possono venir registrati da questo sensore con una frequenza fino a 1000 Hz

13 18

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

13 19

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

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13 54

Sovrapporre correttamente i fasci di luceA questo punto il sensore viene colpito da due onde elettromagnetiche identiche il cui sfasamento varia nel tempo questo avviene percheacute il pendolo muovendosi fa variare la lunghezza del tragitto che uno dei due fasci di luce deve percorrere per colpire il sensore La variazione dello sfasamento fa sigrave che quando i fasci si sovrappongono si alternano in continuazione interferenze costruttive e distruttiveQuesto fenomeno egrave visibile solo in un piccolo punto (che dora in avanti chiamerograve punto dinterferenza) e solo quando i due fasci di luce si sovrappongono nel modo corretto per questo motivo accanto allo specchio fissato sullinterferometro vi sono due viti che permettono di regolare langolo di riflessione di questo fascio in modo da poter modificare la posizione dei fasci quando colpiscono il sensore La figura 17 mostra la situazione prima e dopo aver regolato langolo di riflessione del raggio laser con lo specchio fissato allinterferometro di Michelson il punto rosso rappresenta la posizione del punto dinterferenza

Per trovare il punto dinterferenza non vi sono delle regole da seguire questa operazione va fatta per tentativi bisogna avere pazienza e un pizzico di fortunaTrovato il punto dinterferenza (alcuni esempi vengono mostrati dalla figura 18) va posizionato nel suo centro il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 16 Questo schema mostra la disposizione delle componenti La distanza del sensore dallinterferometro di Michelson egrave in realtagrave maggiore rispetto a quanto rappresentato limmagine

Figura 17 Limmagine di sinistra raffigura i due fasci di luce che si sovrappongono senza evidenziare il loro sfasamento mentre limmagine di destra mostra i due fasci regolati in modo da rendere visibile il punto dinterferenza

13 19

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

La registrazione dei datiOra che tutti gli strumenti sono pronti egrave possibile iniziare la registrazione dei dati Riassumo brevemente lo svolgimento di questa operazionebull il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento viene amplificato dalla scatola elettronica e viene

registrato da un computer su cui lavora il software AmaSeisregbull il sensore dintensitagrave luminosa rileva lintensitagrave della luce che lo colpisce ed il computer a cui

esso egrave collegato grazie a DataStudioreg registra i dati

Affincheacute i dati raccolti si possano utilizzare egrave necessario che il sismografo non rilevi solamente i rumori di fondo ma deve venire influenzato da una forza esterna sufficientemente intensa Per ottenere questo risultato si puograve provocare unoscillazione del pavimento o un piccolo spostamento daria3 nelle vicinanze del sismografoInoltre loscillazione del pendolo non va smorzata4 unoscillazione libera egrave piugrave naturale e permette di registrare dati piugrave puliti diminuendo lerrore durante la loro analisi

Per poter ottenere risultati soddisfacenti egrave necessario avere a disposizione una quantitagrave sufficiente di dati da analizzare per questo motivo vanno raccolti i dati di diverse oscillazioni

Siccome la scatola elettronica modifica lintensitagrave del segnale registrato da AmaSeisreg egrave necessario registrare i dati utilizzando i tre fattori di amplificazione disponibili e confrontarli per verificare che la relazione fra il fattore di amplificazione ed il segnale in uscita dalla scatola elettronica sia lineare

Tutti i dati sono stati raccolti con la luce spenta in modo da minimizzare lintensitagrave della luce parassita che colpisce il sensore di intensitagrave luminosa

Figura 18 Al centro dellimmagine di sinistra si puograve vedere uninterferenza perfettamente costruttiva mentre al centro dellimmagine di destra si puograve vedere uninterferenza perfettamente distruttiva

13 20

313nel capitolo La messa in servizio del sismografo ho affermato che il sismografo va protetto dai movimenti daria In questo caso un movimento controllato dellaria non disturba la registrazione dei dati ma ha lo stesso effetto di unoscillazione del terreno provocata da un sisma

413anche in questo caso il fatto di non smorzare loscillazione del pendolo non altera i dati raccolti infatti il mio scopo egrave quello di ricreare diverse velocitagrave di oscillazione del pendolo e non quello di registrare in modo veritiero le oscillazioni del terreno

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Lanalisi dei dati

In questo capitolo analizzo i dati raccolti durante le esperienze in laboratorioVa detto che per ottenere pochi dati utilizzabili ho dovuto effettuare svariati rilevamenti molto spesso i dati registrati da AmaSeisreg non possono venir utilizzati in quanto i grafici risultano essere irregolari e perciograve determinare lintensitagrave del segnale corrispondente ad una cresta o ad un avvallamento sarebbe impossibile senza approssimare in modo grossolano i valori

I calcoli da effettuareI grafici realizzati da DataStudioreg mostrano al passare del tempo lintensitagrave della luce che raggiunge il sensore A me interessa conoscere quante creste (rispettivamente avvallamenti) ci sono in un intervallo di tempo pari a Δt = 01 s

La lunghezza donda del laser che ho utilizzato egrave di 633 nm (633 sdot 10-7 m) perciograve ogni qualvolta la sovrapposizione dei due fasci di luce sul sensore provoca uninterferenza costruttiva (rispettivamente distruttiva) significa che il pendolo del sismografo si egrave spostato di 317 nm (317 sdot 10-7 m) se il pendolo si sposta di 1 nm il tragitto che la luce percorre prima di venir riflessa dallo specchio si accorcia di 1 nm cosigrave come il tragitto che la luce percorre al ritorno dopo essere stata riflessa

Quindi lo spostamento del pendolo in un intervallo Δt egrave pari a

dove n corrisponde al numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt

Da queste considerazioni posso ricavare che la velocitagrave media del pendolo nellintervallo considerato egrave pari a

Egrave possibile mettere in relazione lo spostamento del pendolo nellintervallo Δt con lintensitagrave media I espressa in ADU registrata da AmaSeisreg nello stesso intervallo di tempo

Per ogni intervallo Δt che considero conosco I e vp Perciograve prendendo in considerazione un numero sufficiente di intervalli posso tracciare il grafico che associa lintensitagrave della tensione registrata da AmaSeisreg (espressa in ADU) con la velocitagrave vp di spostamento del pendolo

Nei prossimi paragrafi illustrerograve passo dopo passo come effettuare questi calcoli utilizzando i dati registrati dai sensori

Δx = n sdot317 sdot10minus7m

vp =ΔxΔt

= n sdot317 sdot10minus7m

01s= n sdot317 sdot10minus6 m

s

13 21

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Primo esempioQuale primo esempio prendo in considerazione la cresta numero 1 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1)

Il grafico 1 mostra i dati registrati da DataStudioreg nellintervallo di tempo in cui il pendolo ha eseguito mezza oscillazione5 In verde sono evidenziati gli istanti t1 = 3314 s e t2 = 3854 s in cui il pendolo egrave fermo agli estremi delloscillazione in questi istanti lalternarsi di interferenze costruttive e distruttive rallenta fino a fermarsi

Siccome il pendolo si muove di moto oscillatorio (smorzato) posso determinare listante t in cui il pendolo passa per il punto di equilibrio

In questo caso t = 3584 s

A questo punto egrave necessario conoscere il numero n di creste presenti nellintervallo

Δt = [ t - 005 s t + 005 s ] = [ 3584 s - 005 s 3584 s + 005 s ] = [ 3579 s 3589 s ]

t = t1 + t22

Grafico 1 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce Viene messo in evidenza lintervallo Δt

13 22

513 le creste presenti nei grafici di DataStudioreg mostrano le interferenze costruttive mentre gli avvallamenti mostrano le interferenza distruttive

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Osservando il grafico 2 determino che n = 14 Con questa informazione posso ricavare la velocitagrave media vp del pendolo nellintervallo Δt

Ora bisogna analizzare i dati registrati da AmaSeisreg per fare questo egrave necessario avere un ingrandimento del grafico della cresta analizzata (lo si puograve vedere nel grafico 3)

Siccome la forma del grafico non egrave una sinusoide regolare ma presenta diversi massimi e minimi relativi non egrave possibile trovare il valore esatto della tensione elettrica registrata nellistante in cui la velocitagrave del pendolo assume il valore massimo va trovato un intervallo I = [Imin Imax] abbastanza piccolo in cui sono presenti i picchi significativi e va trovato il valore medio Im di questo intervalloIn questo modo si trova il valore approssimato I della tensione va indicato anche lerrore commesso

Quindi in questo caso abbiamo

Imin = 10179 ADUImax = 11564 ADUIm = 10872 ADU

I = 10872 plusmn 692 ADU

Ora egrave possibile mettere in relazione I con vp

vp = n sdot317 sdot10minus6 ms= 14 sdot317 sdot10minus6 m

s= 444 sdot10minus5 m

s

Grafico 2 Dettaglio del grafico 1 Sono evidenziate le creste presenti nellintervallo Δt

10872 plusmn 692ADUrarr 444 sdot10minus5 ms

13 23

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Secondo esempioQuale secondo esempio prendo in considerazione lavvallamento numero 2 della prima serie di dati registrati con AmaSeisreg (vedi appendice Serie 1) Procedo come mostrato nellesempio precedente senza spiegare nei dettagli i passaggi che ho fatto

8600

9100

9600

10100

10600

11100

11600

95 99 103 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)Grafico 3 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

Grafico 4 Questo grafico mostra lintensitagrave luminosa derivante dalla sovrapposizione dei due fasci di luce

13 24

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Trovo gli istanti in cui il pendolo egrave fermo e listante in cui invece passa per il punto di equilibrio

t1 = 3854 st2 = 4354 st = 4104 s

Conto le creste che ci sono nellintervallo

Δt = [ 4104 s - 005 s 4104 s + 005 s ] = [ 4099 s 4109 s ]

Nellintervallo Δt ci sono 12 creste Posso cosigrave trovare la velocitagrave del pendolo nellintervallo Δt6

Ora trovo lintensitagrave media I della tensione elettrica nel grafico dei dati registrati da AmaSeisreg

Imin = -13270 ADUImax = -11848 ADUIm = -12559 ADU

I = -12559 plusmn 711 ADU

Grafico 5 Dettaglio del grafico 4

vp = minusn sdot317 sdot10minus6 ms= minus12 sdot317 sdot10minus6 m

s= minus380 sdot10minus5 m

s

13 25

613nel grafico di AmaSeisreg i valori negativi della tensione rilevata (gli avvallamenti del grafico) indicano che la velocitagrave del pendolo ha segno negativo Di conseguenza adatto la formula per ricavare vp

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Infine metto in relazione la tensione I con la velocitagrave vp

Lanalisi di ulteriori datiNei precedenti paragrafi ho mostrato in maniera esaustiva come vengono analizzati i dati Per questo motivo non riporto per esteso i passaggi dellanalisi degli ulteriori dati raccolti i grafici e i risultati derivati dallanalisi si possono trovare nellappendice

Lincertezza nel calcolo della velocitagraveNella formula che ho utilizzato per calcolare la velocitagrave del pendolo egrave presente ununica informazione soggetta ad incertezza il numero di creste presenti nel grafico di DataStudioreg nellintervallo Δt Infatti ho sempre espresso il numero di creste n come un numero interoEgrave possibile stimare il numero decimale di creste che potrebbero stare nellintervallo Δt nel secondo esempio ho contato 12 creste ma dovrebbero essere allincirca 117Ho quindi stimato il numero decimale di n per tutti i dati presi in considerazione e ho calcolato lerrore percentualeSono arrivato alla conclusione che lerrore massimo commesso egrave stato del 75 ho quindi utilizzato questo valore per indicare lincertezza del calcolo della velocitagrave

minus12559 plusmn 711ADUrarrminus380 sdot10minus5 ms

-13500

-12817

-12133

-11450

-10767

-10083

-9400

144 149 154 160 165 170 175

I (AD

U)

t (s)Grafico 6 Tensione elettrica (in ADU) al passare del tempo ingrandimento

del grafico Serie 1

13 26

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

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13 54

Discussione dei risultati ottenuti

Nellappendice ho analizzato tre serie di dati le prime due sono state raccolte amplificando di un fattore 100 il segnale in uscita dalla bobina la terza serie invece egrave stata raccolta amplificando il segnale di un fattore 200

Prima parte (dati raccolti con gain 100x)La tabella 2 e il grafico 7 mettono in relazione sia sotto forma tabellare sia sotto forma di grafico la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento del sismografo (amplificata di un fattore 100 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

1 1 140 10872 plusmn 692 444E-05 plusmn 71 2 117 -12559 plusmn 711 -380E-05 plusmn 71 3 108 8003 plusmn 1012 349E-05 plusmn 71 4 142 -13877 plusmn 879 -444E-05 plusmn 71 5 93 6628 plusmn 549 317E-05 plusmn 72 1 190 16561 plusmn 659 602E-05 plusmn 72 2 198 -18841 plusmn 1214 -634E-05 plusmn 72 4 144 -16087 plusmn 886 -476E-05 plusmn 7

Tabella 2 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della prima e della seconda serie di dati

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)Grafico 7 Rappresentazione grafica dei dati della tabella 2

13 27

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Il grafico 7 mostra quindi il grafico Im rarr vp La linea di tendenza7 colorata di rosso la cui equazione egrave y = 350 10-9x + 568 10-9 permette di notare che i risultati che ho ottenuto sono coerenti fra loro i punti infatti si discostano poco dalla linea di tendenza tenendo in considerazione lerrore sperimentalePosso quindi affermare che lipotesi secondo cui la velocitagrave del pendolo fosse proporzionale alla tensione elettrica generatasi nella bobina egrave confermata

Il calcolo dellerroreSiccome la linea di tendenza presente nel grafico 7 egrave stata tracciata senza tenere in considerazione lerrore commesso nelle varie misurazioni egrave necessario trovare lincertezza della pendenza della linea di tendenza

Per fare questo ho tracciato nel grafico 8 altre due linee (una verde e una blu) in modo tale che abbiano la pendenza minore rispettivamente maggiore possibile pur discostandosi il meno possibile dai punti del grafico

Ho calcolato la pendenza pv della linea verde e la pendenza pb della linea blu

-70E-05

-56E-05

-42E-05

-28E-05

-14E-05

0E+00

14E-05

28E-05

42E-05

56E-05

70E-05

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0 4000 8000 12000 16000 20000

v (m

s)

I (ADU)

Grafico 8 In questo grafico egrave presente la linea di tendenza (in rosso) e altre due linee utilizzate per calcolare lincertezza della prima linea

pv = 321sdot10minus9 ms sdotADU

pb = 372 sdot10minus9 ms sdotADU

13 28

713 la linea di tendenza egrave la linea retta che si avvicina al maggior numero possibile di punti del grafico

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Posso trovare le differenze dv e db fra la pendenza della linea di tendenza pr e le pendenze delle nuove linee che ho tracciato sapendo che

Ora posso trovare il valore medio dm fra dv e db che corrisponde allincertezza della pendenza della linea di tendenza

Problema evidenziato dal grafico 7Osservando il grafico Im rarr vp si nota subito che per Im = 0 ADU vp gt 0 msQuesto ovviamente egrave un fatto strano anche considerando lerrore sperimentale affincheacute nella bobina di rilevamento non sia indotta una tensione elettrica il pendolo deve essere fermo rispetto alla bobina

Tuttavia anche osservando un grafico t rarr I che mostra i dati registrati da AmaSeisreg si puograve vedere un comportamento simile il grafico 9 egrave rappresentato da una curva sinusoidale la cui ampiezza tende a diminuire al passare del tempo fino a mostrare solamente i rumori di fondo

Analizzando le equazioni delle linee di tendenza dei grafici 7 e 9 si scopre un fatto interessante

Sia t7 lequazione della linea di tendenza del grafico 7

Determino per quale valore di x t7 interseca lasse delle ascisse

Questo significa8 che quando il pendolo egrave fermo AmaSeisreg registra una tensione pari a -1623 ADU

pr = 350 sdot10minus9 ms sdotADU

dv = pr minus pv = 350 sdot10minus9 minus 321sdot10minus9 = 029 sdot10minus9 ms sdotADU

= 29 sdot10minus10 ms sdotADU

db = pr minus pb = 350 sdot10minus9 minus 372 sdot10minus9 = 022 sdot10minus9 ms sdotADU

= 22 sdot10minus10 ms sdotADU

dm = dv + db2

= 22 sdot10minus10 + 29 sdot10minus10

2= 26 sdot10minus10 m

s sdotADU

t7 y = 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6

t7 = 0hArr 350 sdot10minus9 x + 568 sdot10minus6 = 0

x = minus568 sdot10minus6

350 sdot10minus9 = minus1623ADU

13 29

813utilizzando lequazione t7 della linea di tendenza come se fosse la funzione che mette in relazione I con vp

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Sia ora t9 lequazione della linea di tendenza del grafico 9

La pendenza di t9 (pari a 563 10-1) egrave trascurabile considerando i valori assunti dalla curva di partenza Osservando il grafico sembra infatti che t9 sia orizzontalePosso quindi ridefinire t9 in questo modo

Il valore della tensione I registrata da AmaSeisreg quando il sismografo rileva unicamente i rumori di fondo (che dora in avanti chiamerograve Irf) dovrebbe aggirarsi attorno a 0 ADU Ma siccome questo valore si aggira attorno a -213 103 ADU si puograve dedurre che Irf sia invece pari a -213 103 ADU

Riassumo ora quanto ho appena affermatobull analizzando t7 egrave emerso che quando il pendolo egrave fermo la tensione rilevata da AmaSeisreg egrave pari

a -1622 ADUbull analizzando t9 egrave emerso che quando il sismografo rileva solo i rumori di fondo la tensione

registrata da AmaSeisreg si aggira attorno a -213 103 ADU

Ho quindi a disposizione due evidenze sperimentali che mostrano che Irf ne 0 ADU

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)Grafico 9 Questo grafico t rarr I presente anche nellappendice rappresenta

i dati della Serie 1 registrati con AmaSeisreg La linea verde evidenzia lasse delle ascisse

t9 y = 563sdot10minus1x minus 213sdot103

t9 y = minus213sdot103

13 30

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Per formulare unipotesi valida dovrei analizzare piugrave dati tuttavia posso affermare con buona approssimazione che

Dal momento che Irf non puograve assumere valori diversi da zero (sempre escludendo lerrore sperimentale) bisognerebbe impostare loffset di AmaSeisreg affincheacute tenga conto di questo fatto

In ogni caso questo sfasamento non influisce sulla taratura del sismografo infatti a me interessa conoscere la pendenza della linea di tendenza e non la sua intercetta

La taraturaCome ho giagrave avuto modo di chiarire allinizio di questa documentazione la taratura del sismografo consiste nellassociare il valore della tensione elettrica registrata dal computer alla velocitagrave con cui il pendolo si muove rispetto al terreno

Partendo dallequazione t7 tenendo in considerazione lincertezza dm della sua pendenza e trascurando il valore dellintercetta posso definire la funzione v(I) che associa al valore della tensione I la velocitagrave vp del pendolo

esprimibile anche con

Se il sismografo dovesse registrare un sisma questa funzione potrebbe essere utilizzata per calcolare la velocitagrave (in ms) di spostamento del terreno conoscendo lintensitagrave I (in ADU) registrata da AmaSeisreg

Seconda parte (dati raccolti con gain 200x)La tabella 3 mette in relazione la tensione elettrica generatasi nella bobina di rilevamento (amplificata di un fattore 200 dalla scatola elettronica) con la velocitagrave di spostamento del pendolo

Serie Numero cresta avvallamento

Numero di picchi presenti in Δt

I [ADU] vp [ms]

3 1 12 20917 plusmn 1046 380E-053 2 10 18250 plusmn 2557 -317E-05

Lerrore nel calcolo di I in questa serie di dati egrave molto maggiore rispetto allerrore commesso in precedenza amplificando il segnale aumentano anche le imprecisioni del grafico e di conseguenza lintervallo I risulta maggiore

Irf = minus1877 plusmn 255ADU

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 26 sdot10minus10 ) I (I in ADU )

v(I ) = (35 sdot10minus9 ms sdotADU

plusmn 75) I (I in ADU )

Tabella 3 Questa tabella riassume i risultati ottenuti dallanalisi della terza serie di dati

13 31

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

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913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

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Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Ora devo verificare che lintensitagrave I registrata da AmaSeisreg sia proporzionale al fattore di amplificazione utilizzatoPer fare questo confronto i dati della tabella 3 con i dati della tabella 2 per rapporto al numero di picchi presenti nellintervallo Δt

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] vp [ms] I [ADU] vp [ms]

12 20917 plusmn 1046 380E-05 -12559 plusmn 711 -380E-0510 -18250 plusmn 2557 -317E-05 6628 plusmn 549 317E-05

Ovviamente a paritagrave del numero di picchi presenti in Δt il valore assoluto di vp non cambiaPer visualizzare meglio il valore degli intervalli I li riscrivo con unaltra notazione

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -13270 -11848 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 6034 7222 ]

Dal momento che i dati registrati con un fattore 200 di amplificazione dovrebbero assumere un valore doppio rispetto ai dati registrati con un fattore 100 moltiplico per 2 questi ultimi dati

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla tabella 3 Dati presi dalla tabella 2Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 19871 21963 ] [ -26540 -23696 ]10 [ -20807 -15693 ] [ 12068 14444 ]

A prima vista sembrerebbe che le intensitagrave I registrate con diversi fattori di amplificazione non si intersechino mai tuttavia considerando il problema emerso nel paragrafo Problema evidenziato dal grafico 7 dovrei modificare gli intervalli I affincheacute si possano paragonare intensitagrave positive con intensitagrave negative

Tabella 4 Questa tabella mette in relazione i dati registrati utilizzando un fattore 100 di amplificazione con quelli registrati utilizzando un fattore 200

Tabella 5 Questa tabella egrave una semplificazione della tabella 4

Tabella 6 Questa tabella permette di paragonare gli intervalli I delle due serie di dati registrate con un diverso fattore di amplificazione

13 32

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

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Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

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Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

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Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Allora sottraggo ad ogni intervallo I il valore Irf = -1877 ADU

Numero di picchi presenti in Δt

Dati presi dalla figura 23 Dati presi dalla figura 20Numero di picchi presenti in Δt I [ADU] I [ADU]

12 [ 21748 23840 ] [ -24663 -21819 ]10 [ -18930 -13816 ] [ 13945 16321 ]

Osservando questa tabella si vede molto bene la corrispondenza che cegrave fra le intensitagrave I registrate con i due diversi fattori di amplificazione

Posso dunque concludere che lintensitagrave I egrave proporzionale al fattore di amplificazione

I limiti di AmaSeisregIl grafico presente nellappendice che rappresenta la terza serie di dati mostra i limiti di AmaSeisreg Si vede chiaramente che le creste delle prime oscillazioni sono state troncate il valore massimo assunto dal grafico in questi intervalli egrave pari a 30768 ADU (vedi i punti evidenziati in viola nel grafico presente nellappendice)Inoltre nellintervallo fra il primo e lultimo punto che assumono un valore maggiore a 30768 ADU il grafico non assume la classica forma sinusoidale ma viene alterato in maniera apparentemente casualeQuesto comportamento si verifica indipendentemente dal fattore di amplificazione utilizzato ma evidentemente piugrave il segnale viene amplificato e maggiore saragrave il valore in ADU della tensione IPer questo motivo consiglio di amplificare il meno possibile il segnale in uscita dalla bobina di rilevamento

I limiti del sensore dintensitagrave luminosaIl grafico di DataStudioreg che rappresenta i dati della cresta 3 della seconda serie di dati (vedi appendice) mostra i limiti del sensore dintensitagrave luminosa infatti la curva risulta essere quasi completamente appiattita proprio nei punti in cui dovrebbe presentare il massimo numero di oscillazioni

Lappiattimento della curva egrave causato dallalternarsi ad altissima frequenza delle interferenze costruttive e distruttive dei fasci di luce il sensore dintensitagrave luminosa che puograve effettuare registrazioni al massimo ad una frequenza di 1000 Hz registra quindi unintensitagrave luminosa media

Per ovviare a questo problema egrave necessario utilizzare un sensore in grado di registrare i dati ad una frequenza piugrave elevata

Tabella 7 In questa tabella gli intervalli I sono stati modificati per correggere il problema emerso nel capitolo Problema evidenziato dal grafico 7

13 33

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

13 34

913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Analisi di alcuni terremoti

Per completare questa documentazione ho analizzato i sismogrammi di alcuni terremoti che sono stati registrati dal sismografo negli ultimi anni

Aquila 6 aprile 2009Il 6 aprile 2009 alle ore 013239 UTC lAbruzzo egrave stato colpito da un terremoto di magnitudo 59 sulla scala RichterLepicentro di questo sisma si situa allAquila cittagrave che egrave stata fortemente danneggiata da questo evento e che tuttora non si egrave potuta riprendere completamente

Il grafico 10 mostra i movimenti del terreno registrati a Bellinzona alle ore 013242 UTC9Per circa 5 minuti dallinizio del sisma AmaSeisreg ha registrato il massimo dellintensitagrave che riesce a gestire vale a dire 32768 ADU Utilizzando la funzione v(I) e sapendo che la scatola elettronica egrave stata impostata sul gain 100x posso calcolare che il terreno si egrave mosso con una velocitagrave superiore a 115 10-4 msSiccome i dati registrati saturano la capacitagrave di AmaSeisreg non mi egrave possibile determinare la velocitagrave massima con cui si egrave mosso il terreno a Bellinzona

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

7 59 112 164 217 269 321 374 426 479 531

I (AD

U)

t (s)Grafico 10Sismogramma del terremoto del 6 aprile 2009 che ha colpito

lAbruzzo

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913 lora in cui le onde sismiche sono state registrate a Bellinzona egrave solo indicativa lorologio del computer utilizzato per registrare i dati non viene aggiornato automaticamente per motivi tecnici Dunque le onde sismiche non hanno raggiunto Bellinzona 3 secondi dopo essere state generate in Abruzzo ma verosimilmente un minuto piugrave tardi

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

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t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

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Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

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Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Valle di Lodrino 1deg maggio 2010Il 1deg maggio 2010 alle ore 0348 UTC si egrave generato nella valle di Lodrino un piccolo sisma di magnitudo 24 sulla scala RichterIl terremoto egrave stato percepito da alcuni abitanti della zona e anche dal nostro sismografo il grafico 11 mostra i movimenti del terreno avvenuti nello scantinato del liceoDal grafico si vede che egrave stato registrato un picco pari a 26756 ADU + 1877 ADU = 28633 ADU che corrisponde ad una velocitagrave di 10 10-4 plusmn 74 10-6 ms

Dopo circa 20 secondi dallinizio del sisma la velocitagrave di oscillazione del terreno ha iniziato a stabilizzarsi tuttavia il sismografo ha registrato del rumore di fondo piuttosto marcato ancora per svariati minuti

Sendai 11 marzo 2011L11 marzo 2011 alle ore 054523 UTC un terremoto di magnitudo 89 sulla scala Richter si egrave generato al largo delle coste orientali del GiapponeIl sisma ha provocato uno tsunami che si egrave abbattuto sulle coste nipponiche causando ingenti danni fra i quali il danneggiamento del sistema di raffreddamento dei reattori della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichiSolo pochi minuti piugrave tardi alle ore 055904 UTC il sismografo del liceo ha potuto registrare i movimenti del terreno provocati dalle onde sismiche giunte dal Giappone il grafico 12 mostra il sismogramma registratoSi puograve notare come il terreno abbia iniziato a tremare lentamente fino a raggiungere la massima velocitagrave rilevabile dal sismografo

-28000

-22400

-16800

-11200

-5600

0

5600

11200

16800

22400

28000

1 9 17 25 33 42 50 58 66 74 82

I (AD

U)

t (s)Grafico 11Sismogramma del terremoto del 1deg maggio 2010 che ha colpito

la valle di Lodrino

13 35

-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

13 36

Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

13 37

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

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-34000

-27200

-20400

-13600

-6800

0

6800

13600

20400

27200

34000

1 18 35 52 69 86 102 119 136 153 170

I (AD

U)

t (s)Grafico 12Sismogramma del terremoto dell11 marzo 2011 che ha colpito la

costa orientale del Giappone

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Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

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Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

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Cresta 3

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t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

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Cresta 5

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t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

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Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

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0 12 23 35 47 58 70

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U)

t (s)

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t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

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14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

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Avvallamento 2

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t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

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Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

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Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

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t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

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Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

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Conclusioni

Allinizio di questo lavoro ero cosciente dellesistenza della possibilitagrave di non riuscire a tarare il sismografo utilizzando linterferometro di Michelson Ho avuto momenti di scoraggiamento quando questa eventualitagrave sembrava concretizzarsi Perograve grazie allaiuto e al sostegno del professor Sposetti ho perseverato nei tentativi riuscendo finalmente a raggiungere lobiettivo prefissato lanalisi dei dati mi ha dato modo di trovare la relazione esistente fra la tensione indotta nella bobina di rilevamento e la velocitagrave con cui si muove il pendolo

Anche il mio secondo obiettivo egrave stato raggiunto lesperienza pratica che ho potuto svolgere in laboratorio egrave stata interessante e molto costruttivaHo imparato ad utilizzare linterferometro di Michelson e ad analizzare i dati che esso permette di registrare Grazie a questo strumento ci si rende conto che il mondo che ci circonda non egrave immobile come appare ma oscilla costantemente Trovo questo fatto molto affascinante

Mi sono reso conto che per quanto si possa cercare di prevedere lesito di una misurazione o di unesperienza molto spesso i risultati che si ottengono non sono quelli attesi in particolar modo quando si utilizza uno strumento sensibile come linterferometro di Michelson

Ringraziamenti

Desidero ringraziare in modo particolare il Professor Sposetti per il suo aiuto e per i preziosi consigli che mi ha dato durante lesperienza in laboratorio e durante lanalisi dei dati

Ringrazio anche i miei genitori che mi hanno aiutato a trovare il materiale necessario da utilizzare come base di appoggio per gli strumenti che ho usato e che mi hanno sostenuto durante questo lavoro

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Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Appendice i dati registrati

In questappendice si possono trovare tutti i grafici dei dati registrati con i software AmaSeisreg e DataStudioreg che non sono stati analizzati nel capitolo Lanalisi dei dati

Allinizio di ogni paragrafo vi egrave il grafico dei dati registrati con AmaSeisreg dove ho numerato ed evidenziato con un cerchio rosso le creste e gli avvallamenti presi in considerazione In seguito mostro i risultati dellanalisi effettuata seguendo i passaggi descritti nel capitolo Lanalisi dei dati

Nel capitolo Discussione dei risultati ho ripreso tutti i risultati emersi in questappendice commentandoli in maniera adeguata

Serie 1

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

-17000

-12167

-7333

-2500

2333

7167

12000

0 15 31 46 61 77 92

I (AD

U)

t (s)

1

3

24

5

13 38

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

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4

13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

2689 19 60210-5 15902 17220 16561 plusmn 659

13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

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0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

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13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

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16250

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416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

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-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Cresta 3

13 39

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

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U)

t (s)

1

2

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13 44

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

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16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4614 11 34910-5 6991 9014 8003 plusmn 1012

Avvallamento 4

3000

4083

5167

6250

7333

8417

9500

193 199 205 212 218 224 230

I (AD

U)

t (s)

13 40

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5150 14 -44410-5 -14757 -12998 -13877 plusmn 879

-15000

-13817

-12633

-11450

-10267

-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

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5900

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305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

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0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

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13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

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-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

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-15000

-13817

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-9083

-7900

250 256 261 267 272 278 283

I (AD

U)

t (s)

13 41

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

0 12 23 35 47 58 70

I (AD

U)

t (s)

1

2

3

4

13 44

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13500

14167

14833

15500

16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

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16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

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-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Cresta 5

13 42

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

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4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

21000

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I (AD

U)

t (s)

1

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13 44

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16167

16833

17500

96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

-16500

-15700

-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

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t (s)

2

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I (AD

U)

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13 51

Avvallamento 2

13 52

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I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

5647 10 31710-5 6079 7177 6628 plusmn 549

4400

4900

5400

5900

6400

6900

7400

305 309 313 317 320 324 328

I (AD

U)

t (s)

13 43

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

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96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

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-15333

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-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

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-14900

-14100

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-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

13 51

Avvallamento 2

13 52

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4811 10 -31710-5 -20808 -15693 -18250 plusmn 2557

-21300

-19833

-18367

-16900

-15433

-13967

-12500

465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

13 53

Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

Serie 2

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzatoPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 100

Cresta 1

-23000

-15667

-8333

-1000

6333

13667

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1

2

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96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

13 45

Avvallamento 2

13 46

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

3159 20 -63410-5 -20055 -17627 -18841 plusmn 1214

Cresta 3

-21000

-19583

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-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

13 47

Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

-17300

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-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

13 49

Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

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05833

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I (AD

U)

t (s)

2

1

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I (AD

U)

t (s)

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Avvallamento 2

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-19833

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465 468 470 473 476 479 481 484 487 489 492

I (AD

U)

t (s)

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Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

13 54

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

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96 100 104 108 112 116 120

I (AD

U)

t (s)

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Avvallamento 2

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Cresta 3

-21000

-19583

-18167

-16750

-15333

-13917

-12500

144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

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Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

13 48

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

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-16500

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-14900

-14100

-13300

-12500

249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

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Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

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05833

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U)

t (s)

2

1

13 50

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t (s)

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Avvallamento 2

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-19833

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U)

t (s)

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Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

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Avvallamento 2

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t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

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Cresta 3

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144 148 152 157 161 165 169

I (AD

U)

t (s)

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Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

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t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

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249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

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Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

1166717500233332916735000

0 13 25 38 50 63 75

I (AD

U)

t (s)

2

1

13 50

t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4333 12 38010-5 19925 22017 20917 plusmn 1046

15000

16250

17500

18750

20000

21250

22500

416 419 422 424 427 430 433 436 438 441 444

I (AD

U)

t (s)

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Avvallamento 2

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U)

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Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

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Cresta 3

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I (AD

U)

t (s)

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Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

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t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

4232 15 -47610-5 -16976 -15201 -16087 plusmn 886

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249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

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Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

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2

1

13 50

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Avvallamento 2

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Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

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Osservazione Siccome questo grafico non possiede una normale distribuzione di creste e avvallamenti i dati che esso rappresenta non possono essere utilizzati per tarare il sismografo

Avvallamento 4

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t [s] n vp [ms] Imin [ADU] Imax [ADU] I [ADU]

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249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

t (s)

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Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

-35000-29167-23333-17500-11667-5833

05833

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Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

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249 254 258 263 267 272 276

I (AD

U)

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Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

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Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

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Serie 3

Grafico dei dati registrati da AmaSeisreg sono evidenziati in rosso le creste e gli avvallamenti che ho analizzato e in viola i punti che superano il valore limite supportato da AmaSeisregPer la raccolta di questi dati la scatola elettronica era impostata in modo da amplificare il segnale di un fattore 200

Cresta 1

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Avvallamento 2

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U)

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Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

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Avvallamento 2

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Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

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Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

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Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

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Bibliografia

Edigeo Zanichelli Grande Enciclopedia Zanichelli - Selezione Zanichelli Bologna 1994AAVV Formeln und Tafeln Orell Fuumlssli Verlag Zurigo 2006D Halliday R Resnick J Walker Fondamenti di fisica Onde Zanichelli 2009

httpwwwseismoatschoolethzch 15092011httpwwwirisedu 15092011httpitwikipediaorgwikiSismografo 15092011httpitwikipediaorgwikiZhang_Heng 15092011httpwwwshkporgcnkplyshdzkpgh000h16img200609180329410jpg 15092011httpitwikipediaorgwikiOnda_elettromagnetica 22112011httpitwikipediaorgwikiSismometro 26112011httpitwikipediaorgwikiVelocitagrave_del_suono 26112011httpwwwbgsacukschoolseismology 27112011httpwwwliceobellinzonachargomentisismografo_newshtml 28112011

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