A differenza di molte forze mortali della natura, i terremoti colpiscono quasi sempre senza preavviso. Queste forze distruttive e devastanti possono far crollare le città in pochi secondi, lasciando dietro di sé macerie e tragedie. Fortunatamente, l'ingegneria ha risposto alla chiamata con lo smorzatore di massa accordato .
Sebbene la maggior parte dei terremoti siano solo piccole scosse, ne basta una sola per causare milioni di dollari di danni alle proprietà e migliaia di morti. Per questo motivo, gli scienziati continuano a perseguire nuove tecnologie per limitare la distruzione che i terremoti possono provocare.
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Considerata la significativa minaccia che i terremoti rappresentano, in particolare per gli imponenti grattacieli e i ponti di lunga portata, molte energie e sforzi sono stati dedicati allo sviluppo di soluzioni in grado di dissipare l’energia violenta rilasciata durante gli eventi sismici. Una di queste soluzioni innovative è lo smorzatore di massa accordato (TMD).
Un TMD è un dispositivo che utilizza una massa accordata per contrastare le oscillazioni di una struttura. Così facendo, assorbe e dissipa l'energia che altrimenti potrebbe causare danni o distruzione.
Immagina un bambino su un'altalena. Se spingi l'altalena, inizierà a muoversi avanti e indietro. Ora, se provi a spingere nuovamente l'altalena ma nel momento in cui ritorna verso di te, il movimento dell'altalena verrà interrotto. Questo è il principio di base alla base dei TMD. I dispositivi di smorzamento essenziali sono progettati per "spingere" contro il movimento della struttura durante un terremoto, riducendo così le oscillazioni.
Un sistema di smorzamento di massa sintonizzato affidabile è essenziale, ma c'è dell'altro magico nella progettazione di questi dispositivi, incluso l'innovativo "fluido intelligente" noto ai professionisti come MR.
Gran parte dell'efficacia degli smorzatori di massa è dovuta a una sostanza unica chiamata fluido magnetoreologico (fluido MR). Questo fluido viene utilizzato all'interno di grandi serrande per stabilizzare gli edifici durante i terremoti. Il fluido MR è un liquido che si trasforma in uno stato quasi solido quando esposto a una forza magnetica, per poi tornare liquido una volta rimossa la forza magnetica.
Durante un terremoto, il fluido MR all'interno degli smorzatori cambierà da solido a liquido e viceversa mentre le scosse attivano una forza magnetica all'interno dello smorzatore. L'utilizzo di questi smorzatori negli edifici e sui ponti creerà strutture intelligenti che reagiscono automaticamente all'attività sismica.
Ciò limiterà l’entità dei danni causati dai terremoti. In questa edizione di Come funzioneranno le cose, imparerai di più sul fluido RM e sulla sua capacità di cambiare stato. Vedremo anche come gli edifici, vecchi e nuovi, possono essere trasformati in strutture intelligenti.
A guardarlo in un becher, il fluido MR non sembra una sostanza così rivoluzionaria. È un liquido grigio e oleoso, circa tre volte più denso dell'acqua. A prima vista non è particolarmente entusiasmante, ma il fluido RM è in realtà piuttosto sorprendente da guardare in azione.
Una semplice dimostrazione di David Carlson, fisico del laboratorio della Carolina del Nord, mostra la capacità del liquido di trasformarsi in solido in millisecondi. Versa il liquido nella tazza e lo mescola con una matita per mostrare che è liquido. Quindi posiziona un magnete sul fondo della tazza e il liquido diventa immediatamente quasi solido. Per dimostrare ulteriormente che è diventato solido, tiene la tazza capovolta e non fuoriesce alcun liquido della RM.
Il tipico fluido per RM è costituito da queste tre parti:
Quindi, cos'è che conferisce al fluido MR la sua capacità unica di trasformarsi da liquido a solido e da solido a liquido più velocemente di quanto si possa battere ciglio? Le particelle di ferro carbonilico. Quando un magnete viene applicato al liquido, queste minuscole particelle si allineano per irrigidire il fluido trasformandolo in un solido. Ciò è causato dal campo magnetico CC, che fa sì che le particelle si blocchino in una polarità uniforme. La durezza della sostanza dipende dalla forza del campo magnetico. Togli il magnete e le particelle si sbloccano immediatamente.
Anche se gli scienziati hanno scoperto solo di recente molte nuove applicazioni per il fluido RM, in realtà esso esiste da più di 50 anni. A Jacob Rabinow viene attribuito il merito di aver scoperto il fluido RM negli anni '40 mentre lavorava presso il National Bureau of Standards degli Stati Uniti (ora National Institute of Standards and Technology).
Fino al 1990 circa, c’erano poche applicazioni per i fluidi RM perché non c’era modo di controllarli adeguatamente. Oggi esistono processori di segnali digitali e computer veloci ed economici in grado di controllare il campo magnetico applicato al fluido. Le applicazioni di questa tecnologia includono attrezzature per esercizi Nautilus, ammortizzatori per lavatrici, ammortizzatori per automobili e protesi avanzate per le gambe.
Nella prossima sezione esamineremo le applicazioni sismiche di questa tecnologia MR, che potrebbero avere il maggiore impatto nel salvare vite umane e prevenire il crollo degli edifici.
Terremoti nelle notizie
Edifici alti, lunghi cavalcavia e ponti pedonali sono suscettibili alla risonanza creata dai forti venti e dall'attività sismica. Per mitigare l'effetto di risonanza, è importante incorporare grandi smorzatori nel loro design per interrompere le onde risonanti. Se questi dispositivi non sono installati, robuste strutture in acciaio come edifici e ponti possono crollare al suolo, come avviene ogni volta che si verifica un terremoto.
Gli ammortizzatori vengono utilizzati nelle macchine che probabilmente usi ogni giorno, compresi i sistemi di sospensione delle auto e le lavatrici. Se dai un'occhiata all'articolo How Stuff Works sulle lavatrici, scoprirai che i sistemi di smorzamento utilizzano l'attrito per assorbire parte della forza dalle vibrazioni meccaniche.
Un sistema di smorzamento in un edificio è molto più grande ed è progettato anche per fornire il controllo delle vibrazioni e assorbire gli shock violenti di un terremoto. La dimensione delle serrande dipende dalle dimensioni dell'edificio. Esistono tre classificazioni per i sistemi di smorzamento:
All'interno dello smorzatore del fluido MR, una bobina elettromagnetica è avvolta attorno a tre sezioni del pistone. Per riempire la camera principale dello smorzatore sismico vengono utilizzati circa 5 litri di fluido MR. Durante un terremoto, i sensori collegati all'edificio segnaleranno al computer di fornire agli ammortizzatori una carica elettrica. Questa carica elettrica magnetizza quindi la bobina, trasformando il fluido MR da liquido a quasi solido.
Ora, l’elettromagnete probabilmente pulsa mentre le vibrazioni si propagano attraverso l’edificio. Questa vibrazione farà sì che il fluido MR cambi da liquido a solido migliaia di volte al secondo e potrebbe causare un aumento della temperatura del fluido. Un accumulatore di espansione termica è fissato alla parte superiore dell'alloggiamento della serranda per consentire l'espansione del fluido mentre si riscalda. Questo accumulatore impedisce un pericoloso aumento di pressione dovuto all'espansione del fluido.
A seconda delle dimensioni dell'edificio, potrebbero esserci una serie di centinaia di serrande. Ciascun ammortizzatore verrebbe posizionato sul pavimento e fissato ai supporti Chevron saldati su una traversa in acciaio.
Quando l'edificio inizia a tremare, gli smorzatori si muovono avanti e indietro per compensare la vibrazione dell'urto. Quando è magnetizzato, il fluido MR aumenta la quantità di forza che gli smorzatori possono esercitare.
