Sismografos

sismografo
Sismógrafo de Zhang Heng
Los sismógrafos son instrumentos que detectan las ondas sísmicas que los terremotos o sismos generan en la corteza terrestre. Son diseñados para registrar aceleraciones, velocidades o desplazamientos. La sismología considera tres tipos de sismógrafos: mecánicos, electromagnéticos y de banda ancha. En Ingeniería Sísmica, los más utilizados son los acelerómetros, que registran aceleraciones.

Primer sismógrafo
El primer sismógrafo conocido se construyó en China, alrededor del año 130 d.C.
Su inventor fue Zhang Heng (78 - 140 d.C.), nativo de Nanyang (provincia de Henan). Este hombre fue un estudioso e inventor especializado en astronomía, matemáticas y calendarios. En el año 132 fabricó en Louyang (capital del imperio en aquél entonces) este sismógrafo, que permitía conocer la direccionalidad de un terremoto. Contradiciendo la creencia popular de aquella época, Zhang Heng sostenía que los terremotos no eran señales de la cólera celeste, sino tan sólo desastres de origen natural.
El sismógrafo, fabricado en cobre de alta calidad, tenía una forma similar a la de una urna con un péndulo central. Estaba modelado con el dibujo de ocho dragones en su superficie,  que apuntaban con sus cabezas a las ocho direcciones y sostenían en sus bocas ocho bolas de cobre. Debajo de ellos, había ocho sapos con las cabezas levantadas y las bocas abiertas en sentido opuesto al de las bocas de los dragones. El interior del sismógrafo fue construido de una manera muy ingeniosa: durante un terremoto, el temblor hacía que el péndulo perdiera su estabilidad y de este modo se activaba en el interior una serie de palancas. Esto haría que uno de los ocho dragones exteriores liberase la bola de cobre que sostenía en su boca, que a su vez caería en la boca del sapo situado justo debajo del dragón, emitiendo un sonido que ayudaría a la gente a determinar en qué dirección había tenido lugar el terremoto.
Un día, en 138 D.C., el dragón que apuntaba al oeste dejó caer su bola de cobre. Como el dragón anunció, un terremoto tuvo lugar aquel mismo día en Longxi, en lo que hoy es la provincia occidental de Gansu, a miles de kilómetros de distancia. Fue la primera vez que el ser humano fue capaz de detectar con antelación un terremoto. Tan sólo unos 1700 años más tarde, un instrumento similar vería la luz en Europa.


Otros antecedentes del sismógrafo
  • Sismógrafo de Bosch-Omori
Es un péndulo horizontal con una pluma que marca directamente la bobina de papel. Con él, el japonés Omori registro el terremoto de 1906 en San Francisco.
Sismómetro de Bosch-Omori
Sismógrafo de Bosch-Omori
  • Sismógrafo portátil (1950)
Su estructura robusta permitió que pudieran ser ubicados en el campo. El mismo modulo traducía los movimientos a impulsos eléctricos, de modo que la señal podía ser transmitida a cierta distancia.
Sismógrafo portátil
Sismógrafo portátil 
  • Sismógrafo portátil de Wilmore(1980).
Dentro de este dispositivo tubular, una masa sensible vibra y se desplaza al compás de la energía sísmica. Un electroimán traduce esa vibración a señales eléctricas. Y estas serán transmitidas a un computador que llevara el registro y el control.
Sismógrafo portátil de Wilmore
Sismógrafo portátil de Wilmore
Funcionamiento
Un sismógrafo funciona según el principio de inercia de los cuerpos. Este principio dice que todos los cuerpos tienen una resistencia al movimiento o a variar su velocidad así, el movimiento del suelo puede ser medido con respecto a la posición de una masa suspendida por un elemento que le permita permanecer en reposo por algunos instantes con respecto al suelo.
El mecanismo consiste usualmente en una masa suspendida de un resorte atado a un soporte acoplado al suelo, cuando el soporte se sacude al paso de las ondas sísmicas, la inercia de la masa hace que ésta permanezca un instante en el mismo sitio de reposo. Posteriormente cuando la masa sale del reposo, tiende a oscilar. Sin embargo, ya que esta oscilación posterior del péndulo no refleja el verdadero movimiento del suelo, es necesario amortiguarla.

Antiguamente, el método para amortiguar era el uso de una lámina sumergida en un líquido (comúnmente aceite); en la actualidad, se logra por medio de bobinas o imanes que ejercen las fuerzas amortiguadoras de la oscilación libre de masa.
Al sujetar un marcador a la masa suspendida, se podrá registrar una componente del movimiento del suelo en un papel pegado sobre un cilindro que gira a velocidad constante. Este instrumento, detecta la componente vertical del movimiento del suelo y se conoce como sismógrafo vertical. El papel donde traza el movimiento se conoce como sismograma.
Sismógrafo vertical
Sismógrafo vertical
Como el movimiento del suelo tiene lugar en las tres dimensiones del espacio, los movimientos del suelo también tienen dos componentes horizontales. Para medir este movimiento se requiere de péndulos horizontales que oscilan como una puerta aunque con el eje ligeramente inclinado para lograr un punto de estabilidad. Uno de estos sismógrafos horizontales se orienta en la dirección N-S y otro en la E-O.
Sismografo horizontal
Sismografo horizontal
El movimiento del suelo con respecto a la masa se efectuaba en los primeros instrumentos por medio de una pluma o estilete que inscribía sobre un tambor giratorio. Después se introdujo la inscripción sobre película o papel fotográfico de un haz de luz reflejado en la masa o sistema amplificador del sismógrafo. Actualmente existen sismógrafos que detectan el movimiento de la masa electrónicamente y lo digitalizan para ser almacenado en cinta magnética u otros medios de almacenamiento digital.

Sismógrafos mecánicos
El sismógrafo mecánico está compuesto por un elemento detector del movimiento, o sismómetro, y un sistema de palancas, que sirve para amplificar el movimiento. El registro se realiza sobre un papel ahumado adosado a un tambor que gira a velocidad fija.
Sismógrafo horizontal Bosch-Omori 1904
Sismógrafo horizontal Bosch-Omori 1904

Sismógrafos electromagnéticos 
Se diferencian de los sismógrafos mecánicos en que el desplazamiento de la masa genera electricidad al mover una bobina dentro de un campo magnético de un imán. Al producirse el movimiento del suelo se genera corriente en la bobina proporcional a la velocidad de movimiento del suelo. Un galvanómetro sirve de amplificador del movimiento. Ahora, si se ha hecho incidir un haz de luz sobre el espejo unido al hilo del galvanómetro, éste sufrirá una desviación, que recogida en un papel fotográfico proporciona el movimiento del sismómetro. Este sismógrafo fue desarrollado por el príncipe B.Galitzin en 1906, sin embargo los sismógrafo electromagnéticos fueron utilizados frecuentemente a partir de los años de 1950 con sistema de registro en papel.
Sismógrafo Electromagnético horizontal
Sismógrafo Electromagnético horizontal
Sismógrafos de Banda Ancha
La mayoría de los sensores sísmicos actuales utilizan el sistema de fuerza de retroalimentación o sistemas de fuerza balanceada. Este sistema consiste de un circuito de retroalimentación negativo, el cual ejerce una fuerza proporcional al desplazamiento de la masa inercial para cancelar el movimiento relativo. Un transductor eléctrico convierte el movimiento de la masa en una señal eléctrica, la cual es una estimacion de la fuerza de retroalimentación que debe ejercerse para anular el movimiento. La cantidad de fuerza que se debe ejercer para anular el movimiento del péndulo corresponde a la aceleración del suelo. Este sistema permite extender el ancho de banda y la linealidad de los sismómetros, porque no permite grandes movimientos de la masa que doblen los resortes o los niveles. La señal de salida de estos sistemas poseeun gran rango dinámico debido a que los transductores electromagnéticos tienen un amplio rango dinámico.
Sismógrafo de Banda ancha STS-2
Sismógrafo de Banda ancha STS-2
Acelerógrafos
Paralelo a la sismología se desarrolló un campo de la ingeniería que estudia las fuerzas que actúan sobre los edificios durante un sismo. Este campo se denomina Ingeniería Sísmica. Para entender estas fuerzas se desarrollaron los acelerógrafos, que miden la aceleración del suelo o la fuerza que actúa sobre los edificios. Actualmente, con los avances tecnológicos y los sensores de banda ancha, no hay diferencia entre los sismógrafos y los acelerógrafos. Sin embargo, los acelerógrafos no registran en continuo y generalmente se activa al ser excitado por una onda sísmica que se registra a alta velocidad en disco digital. Durante el registro de la acelación de un sismo, paralelamente se realiza el registro del tiempo. A partir de esta información puede obtenerse mediante integración registros en velocidad y desplazamiento en el campo próximo.

Sismógrafo de Deformación
Fue construido en los años 30 por H. Benioff a fin de medir las deformaciones que tienen lugar en la superficie de la tierra. Es decir, variaciones lineales entre dos puntos fijos. El instrumento consta de un tubo de cuarzo de 10 a 100 metros de longitud cuyo extremo se encuentra rígidamente unido a un pilar y el otro libre a una distancia una barra de longitud igual a 100 metros proporcionando una sensibilidad en deformación del orden de 10-11.


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Terremotos
El término terremoto viene del latín terra, terrae (tierra o de la tierra) y motus (movimiento). También se denomina seísmo o sismo ( del griego σεισμός: temblor o temblor de tierra).

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