CAPITULO II. MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes La construcción

CAPITULO II. MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes
La construcción de sismógrafos nace de la necesidad de estudiar los
movimientos del terreno en el que habitamos, para lo cual, se han creado numerables
modelos de sismógrafos, permitiendo así, a los laboratorios tecnológicos e inclusive
personas comunes, construir estos instrumentos.
El Observatorio Astronómico de Agache(1) desarrolló de manera casera un
sismógrafo tipo Lehman, el cual describen como, “una barra vertical que sujeta otra
horizontal con un peso cerca de uno de sus extremos” [1], a dicho diseño se le
incorporó un alambre al final de la barra, en el cual pendiera un altavoz para
amplificar el sonido del alambre en el momento de un sismo.
En el del CIMAT (Centro de Investigación en Matemáticas de México) (S/F)
se desarrollaron modelos de varios sismógrafos, como es el caso de un sismógrafo
vertical, en donde se guinda una masa inerte en el centro de una base cuadrada, dicha
masa tiene adherida un lápiz, el cual trazará el movimiento del terreno en un papel.[2]
Dentro de los trabajos que aplican sismómetros electromagnéticos se pueden
señalar: Antonio Pazos (2004) [3]: Estación sísmica digital. Tratamiento digital de
señales; Tejedor y García (1993) [4]: Funciones de transferencia de las estaciones de
la Red Sísmica Nacional Española.
(1)
Observatorio privado y sin fines de lucro que
se encuentra en la Islas Canarias y Tenerife.
Dentro de la UNEXPO vicerrectorado Puerto Ordaz, se encuentran trabajos de
grado que utilizaron Labview, dentro de los cuales podemos nombrar: Gamboa
Gustavo (2001) [5]: Instrumento virtual para la medida de temperatura a través de
Labview, donde se simuló el comportamiento de un medidor físico de temperatura, el
de Tuly Gonzalez (2008) [6] desarrollo de software de visualización y adquisición de
salida y llegada en actividades de atletismo.
2.2 Bases teóricas
2.2.1 Sismología
La sismología, es una rama de la geofísica que se encarga de estudiar y
conocer las causas y consecuencias de los movimientos telúricos y la propagación de
las ondas elásticas, se generan tanto en el interior como en la superficie de la Tierra.
El núcleo interno de la tierra está conformado por material incandescente, el
cual asciende a la litósfera, atravesando las demás capas de la tierra a través de un
intenso volcanismo no explosivo, este fenómeno se debe a la convección, el cual es
responsable de que las placas tectónicas que se encuentran en la litósfera. El contacto
entre placas se puede clasificar de la siguiente forma:
a) Convergente: este movimiento se da cuando dos placas tectónicas chocan. Se
forma una zona de subducción donde una placa es desplazada hacia abajo, por
acción de las altas temperaturas empieza a derretirse luego, convertido en
material magmático es expulsado a la superficie de la placa que quedó en la
superficie, creando volcanes y nuevos relieves. Se puede producir por el
choque entre dos placas oceánicas, entre dos placas continentales y/o entre
una placa oceánica y una continental. Generalmente esta interacción se
observa entre una placa continental y una oceánica, en donde la continental es
la que queda en la superficie. Ver Figura 2.1 parte a).
7
b) Divergente: cuando dos placas se separan se produce un adelgazamiento de la
corteza terrestre, permitiendo el ascenso del magma y la creación de las
dorsales oceánicas. Ver Figura 2.1 parte b).
c) Transformantes: en este caso las placas se mueven horizontalmente en
sentidos opuestos, originando transformaciones en el terreno, más no aparece
ni desaparece parte de la corteza terrestre. Ver Figura 2.1 parte c).
En la Figura 2.1 se pueden observar las interacciones entre placas.
Figura 2.1. Contacto interacción entre placas.
Fuente:http://rincongeologico.iespana.es/volcanes%20y%20terremotos/terremotos%20y%20volcanes.
htm
Al producirse estos movimientos se presentan fracturas y desplazamientos de
rocas, lo que ocasionan que aparezcan ondas sísmicas.
2.2.2 Sismos
Los sismos se pueden definir vibraciones de la tierra cuando ocurren
movimientos en las profundidades de la corteza terrestre, liberando tensión
acumulada en la estructura del planeta. El punto en el que ocurre el sismo es llamado
hipocentro o foco, este puede ser superficial (cercano a la superficie terrestre);
intermedio (a más de 70 km de la superficie terrestre); profundo (a más de 300 km de
la superficie terrestre). El punto donde el sismo es más intenso es el epicentro, que es
8
el lugar en la corteza terrestre que está ubicado encima del hipocentro.
Al momento de un sismo se producen las siguientes ondas:
a) Ondas P: son las ondas primarias, y tienen un movimiento de compresión y
expansión longitudinal, se mueven en la misma dirección de la onda, tienen
gran velocidad pero son de poca magnitud y pueden atravesar todo tipo de
material. Ver Figura 2.2, parte a).
b) Ondas S: son las ondas secundarias. Como se indica estas ondas aparecen
luego de las ondas P, tienen un movimiento transversal cuya dirección es
perpendicular a la onda de propagación. Son de mayor magnitud, menor
velocidad y duración más corta y a diferencia de las ondas P solo atraviesan
sólidos que no tienen variaciones de volumen. Ver Figura 2.2, parte b).
c) Ondas Superficiales: estas se producen cuando la onda de propagación llega a
la superficie de la tierra. Dentro de estas se encuentran las ondas Raylegih que
tienen una trayectoria elíptica retrógrada y las ondas Love que se mueven de
una forma horizontal y perpendicular a la onda de propagación. Ver Figura
2.2, partes c) y d).
En la Figura 2.2 se pueden observar las ondas producidas al momento de un
sismo.
Figura 2.2. Ondas sísmicas.
Fuente: http://kenologia.blogspot.com/2007/08/los-terremotos.html
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Un sismo puede ser medido de la siguiente manera:
Intensidad: se mide el movimiento de acuerdo a las impresiones que causan en las
personas, en las infraestructuras y las fracturas que causan en la placa terrestre.
relativa, ya que se deben tomar diversos factores como la energía que se liberó,
los daños a las estructuras y el número de personas que lo sintieron. Se evalúa en
grados y la escala más aceptada es la escala de Mercalli, la cual tiene (12) grados.
Magnitud: Se determina mediante registros sísmicos del evento. Conociendo la
distancia del sismómetro al epicentro del sismo y observando la amplitud máxima
de la señal, se puede estimar la energía liberada de los sismos. Dependiendo del
tipo de onda que se utilice se usa una escala diferente:
, Magnitud Local (Richter): se representa mediante la ecuación 2.1:
(2.1)
Donde, A representa la amplitud máxima en el registro del sismo para el
cual se desea calcular su magnitud,
cero y
a la amplitud para el sismo de magnitud
la distancia epicentral.
Magnitud de Ondas de Volumen
: Es representada mediante la
ecuación 2.2
(2.2)
Donde, A es la amplitud de la señal sísmica medida sobre la componente
vertical de registro (micras), T el periodo (seg) y Q el factor de atenuación de la
onda expresado en función de la distancia epicentral
(h) según las tablas de Gutenberg y Richter.
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y la profundidad del foco
Magnitud de Ondas Superficiales (Ms): es representada por la ecuación 2.3:
(2.3)
Donde, A es la amplitud del desplazamiento del suelo en micras y
la
distancia epicentral en grados. La fórmula anterior es válida para sismos con
focos localizados a profundidades menores a 70 km.
En la Tabla 2.1 se puede observar la escala de Mercalli y la de Richter, en
donde se hace una relación entre los valores de escala y magnitud.
Tabla 2.1: Escalas de amplitud e intensidad relacionadas.
Fuente: www.monografias.com
2.2.1.2 Sismógrafo
El sismógrafo es un instrumento empleado para medir y registrar en gráficas
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denominadas sismogramas las ondas sísmicas producidas en el suelo durante un
sismo, el cual está basado en el principio de la inercia de los cuerpos, y como el
movimiento del suelo se produce en las tres componentes del espacio, se puede
registrar de manera horizontal o vertical.
La construcción de equipos de medición sismológicos, puede remontarse a la
construcción de sismógrafos en los siglos VII-XI, donde el científico chino Zhang
Heng construyó un detector de temblores e indicador de la dirección del epicentro de
este con bastante precisión.
En el siglo XX aparecen otro tipo de sismógrafos, que básicamente consta de
tres partes: el sensor que miden el movimiento de la tierra y cuenta con dispositivos
de amortiguamiento para retornar al reposo luego del movimiento, un sistema de
amplificación que permite aumentar la señal para procesarla mejor y un sistema de
registro de la señal transformada en el desplazamiento de la tierra en función del
tiempo. Dentro de los sismógrafos que se utilizan actualmente, se puede nombrar:
Sismógrafo vertical: en este tipo de sismógrafo, el sismómetro empleado que
trabaja con el principio de inercia de los cuerpos, tiene la masa suspendida de
manera que cuando la onda sísmica golpee a esta, solo la componente el
movimiento vertical (Y) del suelo sacará de reposo a dicha masa, haciendo
que el sismómetro genere una señal que pase por una etapa de amplificación y
luego sea registrado en sismogramas. En la Figura 2.3 se pueden observar un
ejemplo de un sismógrafo básico que registra el movimiento vertical del
suelo.
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Figura 2.3- Ejemplo de sismógrafo vertical
Fuente: http://books.google.co.ve/books
Sismógrafo horizontal: en este tipo de sismógrafo, el sismómetro empleado
que trabaja con el principio de inercia de los cuerpos, tiene la masa
suspendida de manera que cuando la onda sísmica golpee a esta, solo las el
movimiento horizontal del suelo sacará de reposo a dicha masa, haciendo que
el sismómetro genere una señal que pase por una etapa de amplificación y
luego sea registrado en sismogramas. El sismómetro se coloca en dirección de
la componente que se desee medir (X ó Z). En la Figura 2.4 se observa un
ejemplo de sismógrafo horizontal básico.
Figura 2.4- Ejemplo de sismógrafos horizontales
Fuente: http://books.google.co.ve/books
Sismógrafo de banda ancha: es un instrumento electrónico, en la cual hay una
masa que está inmóvil por medios eléctricos, y cuando hay movimiento
sísmico se mide la fuerza aplicada para que esta se mantenga en su lugar; son
bastante sensibles y pueden llegar a tener alcance universal. Poseen una gran
sensibilidad y tienen un amplio registro de tiempo.
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Un conjunto de sismógrafos distribuidos en una amplia región geográfica se
denominan red sismológica, la cual mediante el análisis de la información obtenida
por los sismogramas, cuya señal independientemente de si es velocidad o aceleración,
es transformada en desplazamiento, luego, mediante el uso de algoritmos
matemáticos, se encuentra en la capacidad de determinar los datos de un sismo, como
el hipocentro, epicentro y escala de este.
2.2.3 Sistema de medición:
En todo proceso se encuentran situaciones en donde es indispensable conocer
el estado o valor de una o más variables, es por eso que un sistema de medición
consta de varios bloques para la captura, análisis y control de estas variables.
En el modelo de medición de la investigación, se pueden encuentran los
bloques que se observan en la Figura 2.5.
Figura 2.5. Bloques del sistema de medición
Fuente: Elaboración Propia
2.2.3.1 Dispositivo de entrada:
De acuerdo a Rodríguez (2006:6), se define “el dispositivo que capta la
variable física a medir y la transforma en energía equivalente capaz de ser
14
manipulada por algún medio o tecnología” [7], lo que quiere decir que la magnitud
real de la variable (calor, desplazamiento, vibración) será transformada en una
variable eléctrica.
Comúnmente, los dispositivos de entrada que son utilizados son los sensores,
pues estos abarcan todas las características antes mencionadas, además de que existe
una gran variedad que se ajustan a las condiciones ambientales requeridas. En el caso
de los sismos, dichos sensores comúnmente reciben el nombre de sismómetros si son
transductores de velocidad y de acelerómetros cuando son transductores de
aceleración. Los sismómetros y acelerómetros basan su funcionamiento en diferentes
fenómenos características, como la intensidad de las vibraciones, rango de
frecuencias y períodos de retorno de evento.
En la Tabla 2.2 se muestra la clasificación de los sensores sísmicos de acuerdo
a su frecuencia de operación.
Tabla 2.2 Clasificación de los sensores sísmicos de acuerdo a su frecuencia.
Fuente : www.uniquindio.edu.co
2.2.3.2 Dispositivo de procesamiento y transmisión:
Es un dispositivo o circuito donde se toma la señal del dispositivo de entrada,
se procesa y se transmite en las magnitudes físicas requeridas al dispositivo de salida
y visualización.
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Un dispositivo de procesamiento bastante común es un microcontrolador, el
cual es un circuito integrado de pequeño tamaño de alta tecnología, en el que incluye
tres de las grandes funciones de una computadora normal como un CPU, unidad de
memoria y puertos de entrada y salida. Tienen incluidos varias funciones lógicas y
matemáticas, funciones con timers, conversión analógica digital, PLL, entre otros y
tiene la ventaja de que se le puede programar cómo debe procesar la información
analógica o digital que le llega por los puertos.
En la función de conversión analógico-digital, como su nombre lo indica, el
microcontrolador toma las señales analógicas que entran en los pines indicados y, las
transforma en señales digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento y que
sean más inmunes al ruido.
También se encuentra dentro de las funciones del microcontrolador, la
transmisión de la información de manera serial, uno de los métodos más comunes es
a través del protocolo RS232, en donde se estandariza los niveles de velocidad,
voltaje y canales de transmisión y recepción de información entre los dispositivos
involucrados. Un ejemplo muy común es la comunicación entre el computador y el
microcontrolador.
Los puertos seriales con el paso del tiempo han quedando obsoletos; ante la
necesidad de establecer comunicación entre el microcontrolador y la computadora a
través de los nuevos puertos de comunicación USB, se creó un driver especial de
emulación de puerto serial a través del puerto paralelo para que se instale en la
computadora, con lo que la comunicación paralela, junto con un arreglo de
capacitores que es más simple que el de la transmisión serial, sea llevada a cabo y
permite vaciar los datos en varios software de visualización como por ejemplo, el
Labview 8.2.1
2.2.3.3 Dispositivo de salida:
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Es cualquier instrumento que sirva para la representación visual del
procesamiento de los datos recogidos durante el proceso. Existen diversos
instrumentos como osciloscopios, pantallas LCD, indicadores, multímetros o
computadoras. Para este proyecto se empleó un PC en el cual se instaló una
aplicación en Labview 8.2.
2.2.4 Descripción funcional de los sismómetros electromagnéticos:
Los sismómetros, también llamados geófonos, son aparatos que miden la
velocidad del suelo con un transductor electromagnético. De acuerdo con el Instituto
Físico Global de París, los sismómetros electromagnéticos “detectan las altas
frecuencias superiores a 1 Hz, que se propagan sobre distancias mucho más cortas,
pero se prestan mejor para la observación de los seísmos volcano-tectónicos de baja
magnitud observada en los volcanes” [7].
Este sismómetro se basa en una bobina adherida a una masa que se mueve en
el campo magnético de un imán permanente. El movimiento induce un voltaje V(t) en
los bornes de la bobina.
En la Figura 2.7 se puede observar el esquema de funcionamiento de un
sismómetro con transductor electromagnético.
Figura 2.7. Esquema de funcionamiento de sismómetro con transductor electromagnético.
Fuente : www.uniquindio.edu.co
17
La magnitud que se mide ahora es el potencial, la cual es proporcional a la
velocidad relativa
de la bobina respecto al imán permanente se observa en la
ecuación 2.4
(2.4)
Siendo G una constante de proporcionalidad.
Como el registro es proporcional a
, se tiene que la magnificación del
transductor electromagnético es:
(2.5)
(2.6)
(2.7)
Haciendo una representación de las gráficas asintóticas para cada una de las
sensibilidades, en la Figura 2.8 se puede determinar que el sismómetro es adecuado
para registrar la velocidad del suelo, cuando la frecuencia de vibración es superior a
la del instrumento siendo su sensibilidad registrada en Vm/s.
Figura 2.8. Gráficas asintóticas aproximadas para un sismómetro electromagnético:
a) Desplazamiento. b) Velocidad. c) Aceleración.
Fuente : www.uniquindio.edu.co
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Cada instrumento tiene sus propias especificaciones de oscilación natural y su
sistema de magnificación, detectando de manera diferente la onda sísmica, cuando se
conocen estos parámetros, se dice que el instrumento está calibrado. La mayoría de
estos sismómetros traen una bobina de calibración, que permite, al introducir un
voltaje patrón con una frecuencia conocida, simula una aceleración del suelo, la cual
es enviada a la etapa de amplificación del sismógrafo; en función del voltaje de salida
de la etapa de amplificación, es que se permite realizar la curva de respuesta del
sismómetro para determinar la frecuencia de oscilación del sismómetro
y junto
con los parámetros de masa y constante motora de calibración (G), se puede calcular
la magnificación o transducción del sensor.
En la Figura 2.9 se observa el esquema de calibración de los sismómetros
electromagnéticos.
Generador
Sismómetro
U1
100
A
B
3
+
6
2
L SALIDA
C
D
4
5
AM
Visualización
7
1
R
Amplificación
FM
LM741
LCALIBRACION
Figura 2.9. Circuito para calibración de sismómetro de electromagnético.
Fuente: Elaboración Propia
Para esta investigación se empleará el sismómetro de corto período portable,
M-S-13 de Teledyne Geotech, el cual, dentro de sus características (ANEXO IV), se
pueden nombrar las siguientes:
Sismómetro ofrecido por FUNVISIS para la realización de pruebas y
comparaciones.
19
Está empleado en las estaciones sismológicas de la UDO, la ULA y
FUNVISIS.
Determina una componente del movimiento de la onda sísmica
Constante de motora de calibración 0,1975
Resistencia de la bobina de calibración 0,023
.
.
Resistencia de la bobina principal 3,6
Peso de la masa 5Kg.
Frecuencia natural 1Hz
2.2.4 Hipótesis:
El desarrollo de un sismógrafo con un sistema que permita recolectar la
información de la vibración del suelo a partir del sismómetro electromagnético,
donde dichos datos se transmitan a un computador, para luego ser graficados y
almacenados en una interfaz de usuario práctica y amigable, abrirá paso al campo de
estudio de los movimientos telúricos del territorio en la UNEXPO núcleo Puerto
Ordaz.
2.2.5 Sistema de variables:
A continuación se presenta las variables que se utilizaron a lo largo del desarrollo
de la presente investigación.
2.2.5.1 Variable independiente
El sismómetro electromagnético o dispositivo de entrada que se encarga de la
recolección de la información.
2.2.5.2 Variable Dependiente
20
El conjunto de dispositivos que conforman el dispositivo de transmisión y de
salida que se encargan de recibir y almacenar los datos obtenidos por el dispositivo de
entrada.
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